JP2012073154A - Gas sensor and manufacturing method of the same - Google Patents

Gas sensor and manufacturing method of the same Download PDF

Info

Publication number
JP2012073154A
JP2012073154A JP2010218983A JP2010218983A JP2012073154A JP 2012073154 A JP2012073154 A JP 2012073154A JP 2010218983 A JP2010218983 A JP 2010218983A JP 2010218983 A JP2010218983 A JP 2010218983A JP 2012073154 A JP2012073154 A JP 2012073154A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
region
gas sensor
heater
platinum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010218983A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5603193B2 (en
Inventor
Toshiyuki Usagawa
利幸 宇佐川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2010218983A priority Critical patent/JP5603193B2/en
Priority to EP11828632.7A priority patent/EP2623968B1/en
Priority to PCT/JP2011/068202 priority patent/WO2012043071A1/en
Priority to US13/810,516 priority patent/US9383329B2/en
Publication of JP2012073154A publication Critical patent/JP2012073154A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5603193B2 publication Critical patent/JP5603193B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4146Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/227Sensors changing capacitance upon adsorption or absorption of fluid components, e.g. electrolyte-insulator-semiconductor sensors, MOS capacitors

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for achieving a ultra thin film gas sensor that can be applied to various kinds of gas sensing including hydrogen and other gasses and has a high long term reliability, by applying a thin film in which a metal compound is formed in a nano-space of ultra thin film platinum grain boundary to a sensing film of the gas sensor and changing constituent metal of the platinum and nano-compound, a film thickness, an occupation ratio, and a formation condition.SOLUTION: The gas sensor includes a gate insulation film arranged on a substrate, and a gate electrode arranged on the gate insulation film. The gate electrode includes a metal oxide mixture film in which an oxygen doped amorphous metal containing oxygen and the metal oxide crystal are mixed, and a platinum film arranged on the metal oxide mixture film. The platinum film is composed of a plurality of platinum crystalline grains and a grain boundary region existing between the platinum crystalline grains. The grain boundary region is filled with the metal oxide mixture, and the periphery of the platinum crystalline grains are surrounded by the metal oxide mixture.

Description

本発明は、半導体基板上に形成するガスセンサとその製造方法に関し、特に、Si半導体上に設けた信頼性が高く、高感度なガスセンサとその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a gas sensor formed on a semiconductor substrate and a manufacturing method thereof, and particularly to a highly reliable and highly sensitive gas sensor provided on a Si semiconductor and a manufacturing method thereof.

1970年代後半、勃興期のSi−半導体プロセスを用いてガスセンサを作製する研究開発が盛んに行われたが、血液分析などのISFETなどを除き下火になった。その主要原因は、ガスセンサが多くの場合に高温(450℃前後)で動作するため、薄膜の剥離や亀裂が生じ、長期安定性が達成できなかったためである。この薄膜の剥離や亀裂の問題は、薄膜のため熱容量が小さく熱衝撃に弱いことのほかに、微粒子を溶剤に溶かして塗布して焼結するプロセスが主体であり、微粒子と基板や電極との接着性が十分に確保できないことも原因であった(例えば、清水康博、江頭誠 応用物理 第70巻 第4号 423−427ページ、2001年(非特許文献1))。しかし、1990年代後半頃よりMEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術がガスセンサの開発に応用され始め、低電力化の切り札として、再び研究開発が活況を呈している(例えば、I.Simon他, Sensors and Actuators B Vol73, ページ1−26、2001年(非特許文献2)、T.Suzuki他 The 10th Int. Meeting Chemical Sensors, 3B02, July 11-14, 2004年、筑波、日本(非特許文献3))。 In the latter half of the 1970s, research and development for producing gas sensors using Si-semiconductor processes in the era of eruption were extensively conducted, but they were down except for ISFET for blood analysis. The main cause is that gas sensors operate at a high temperature (around 450 ° C.) in many cases, so that the thin film is peeled or cracked and long-term stability cannot be achieved. The problem of peeling and cracking of the thin film is mainly due to the process of dissolving the fine particles in a solvent, applying them and sintering, in addition to the small heat capacity and weakness against thermal shock due to the thin film. It was also because the adhesiveness could not be sufficiently secured (for example, Yasuhiro Shimizu, Makoto Egashira, Applied Physics Vol. 70, No. 4, 423-427, 2001 (Non-patent Document 1)). However, since the late 1990s, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has begun to be applied to gas sensor development, and research and development is booming again as a trump card for lower power consumption (for example, I. Simon et al., Sensors and Actuators B Vol73, pages 1-26, 2001 (non-Patent Document 2), T.Suzuki other The 10 th Int. Meeting Chemical Sensors , 3B02, July 11-14, 2004 years, Tsukuba, Japan (non-Patent Document 3) ).

現状のガスセンサは、接触燃焼式、金属酸化物半導体式、気体熱伝導式、固体電解質式が殆どである。しかし、Si−MOSFET技術(シリコン半導体とその集積化技術)をプラットホームに各種ガスセンサを実現できれば、センサ感応部分を超薄膜で形成でき、Siリソグラフィー技術を駆使できるので、超小型・軽量・低電力・コードレス(電池動作)・携帯・ネットワーク適用容易性・低価格大量生産が可能などのSi半導体技術の特徴を生かして、ガスセンサの世界に革新を起こすものと思われる。   Most of the current gas sensors are catalytic combustion type, metal oxide semiconductor type, gas heat conduction type, and solid electrolyte type. However, if various gas sensors can be realized using Si-MOSFET technology (silicon semiconductor and its integration technology) as a platform, the sensor sensitive part can be formed with an ultra-thin film, and Si lithography technology can be fully utilized. Cordless (battery operation), portability, ease of network application, low-cost mass production, which is expected to bring about innovation in the world of gas sensors.

実際、Ptゲート薄膜をポーラス構造にすることで、NH、CO、CHやNOガスを検知するSi−MOSFET型ガスセンサが研究室レヴェルではあるが、提案されている(非特許文献4、5、6)。ゲート絶縁膜上にPt微結晶が空隙をもって形成され、ガス分子がPt上に吸着すると仕事関数が変化し、Pt微結晶間容量を通じてMOSのVthがシフトするというのがセンサ原理である。 Actually, a Si-MOSFET type gas sensor that detects NH 3 , CO, CH 4, and NO gas by making the Pt gate thin film porous structure has been proposed at the laboratory level (Non-Patent Documents 4 and 5). 6). The sensor principle is that Pt microcrystals are formed with gaps on the gate insulating film, and the work function changes when gas molecules are adsorbed onto Pt, and the Vth of the MOS shifts through the capacitance between Pt microcrystals.

膜厚が30−45nm程度の薄膜から構成されるプラチナ膜をゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサでは、水素ガス以外のアンモニア、エタン、メタノールなどとは応答しない。しかし、プラチナ極薄膜(〜6nm)をゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサ(例えばSensors and Actuators B Vol, ページ15−20、1990年(非特許文献7))ではガス選択性が異なる。即ち、この研究では、プラチナ薄膜がゲート絶縁膜上で一様には被着せず、縞状に形成される結果、ゲート絶縁膜表面にプラチナのない間隙領域ができ、この構造を利用して水素ガス以外のアンモニア、エタンメタノールなども検知できるガスセンサが製作されている。これは、プラチナ膜の接着性が悪く、ゲート絶縁膜上で剥がれ易いという性質を積極的に用いたガスセンサとも言える。ガスセンサの応答メカニズムは文献(非特許文献7)やその参照文献で議論されているように以下に示すようなものである。   A Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film composed of a thin film having a thickness of about 30 to 45 nm as a gate electrode does not respond to ammonia, ethane, methanol, or the like other than hydrogen gas. However, gas selectivity is different in a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor (for example, Sensors and Actuators B Vol, pages 15-20, 1990 (non-patent document 7)) using a platinum ultrathin film (˜6 nm) as a gate electrode. . That is, in this research, the platinum thin film is not uniformly deposited on the gate insulating film, but is formed in a striped pattern. As a result, a gap region without platinum is formed on the surface of the gate insulating film. Gas sensors that can detect other gases such as ammonia and ethanemethanol have been manufactured. This can be said to be a gas sensor positively using the property that the adhesion property of the platinum film is poor and the platinum film is easily peeled off. The response mechanism of the gas sensor is as shown below as discussed in the literature (Non-Patent Document 7) and its references.

すなわち、アンモニアガスなどが縞状に形成されているプラチナ表面に付着し、プラチナ表面の表面電位φを変化させる。このとき、ゲート絶縁膜の表面にプラチナのない間隙領域とプラチナ微結晶間の静電容量と、プラチナのない間隙領域と半導体基板(Si基板)に形成されているチャネルとの間の静電容量により、しきい値Vthが変化するという原理である。しかしながら、このプラチナ膜の極薄膜化(〜6nm)を用いたガスセンサも、プラチナ膜のハガレなど信頼性の問題は、相変わらず解決されていない問題であり、このままでは、信頼性に問題があり、実用化は困難である。 That is, ammonia gas or the like adheres to the platinum surface formed in stripes, and changes the surface potential φ s of the platinum surface. At this time, the capacitance between the platinum-free gap region and the platinum microcrystal on the surface of the gate insulating film, and the capacitance between the platinum-free gap region and the channel formed in the semiconductor substrate (Si substrate) This is the principle that the threshold value Vth changes. However, in the gas sensor using this ultra-thin platinum film (up to 6nm), the problem of reliability, such as peeling of the platinum film, is still a problem that has not been solved. Is difficult.

プラチナをゲート電極として使用するSi−MOSFET型水素ガスセンサが商品化できない理由は、酸化シリコンなどの絶縁膜やシリコンやガリウム砒素(GaAs)などの半導体膜との接着性が悪く、長期にわたる信頼性が保証できなかったことにある。プラチナ膜の膜ハガレの問題は、ゲート電極部分を外気にさらしてしまうガスセンサでの実用上の点や寿命の保証という点でも極めて重要な問題である。   The reason why Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as a gate electrode cannot be commercialized is that it has poor adhesion to insulating films such as silicon oxide and semiconductor films such as silicon and gallium arsenide (GaAs), and it has long-term reliability. This is because it could not be guaranteed. The problem of the peeling of the platinum film is an extremely important problem in terms of practical use and guarantee of the life of the gas sensor that exposes the gate electrode portion to the outside air.

またFET製造工程での加工プロセスにおいて、部分的な膜ハガレが生じ、実用的な製造工程ではPtを直接ゲート絶縁膜上に安定に接着させる技術は確立していない。Ptの膜ハガレは、製造方法としても製造工程で剥がれたPt膜によるプロセス装置への汚染が問題となり、SiやGaAsなどの電子デバイスの領域では、Ptを用いる場合にはPtとSiOなどの酸化物やSiやGaAsなどの半導体との間に、Ti、Mo、Wなどのバリアメタルを挿入して接着性を保持し、ハガレによる汚染を回避する技術が確立している。Ptは貴金属であり、固体材料(SiOなどの酸化物やSiやGaAsなどの半導体)の酸素や他の構成原子と結合するよりはPt自身で凝集している方が安定になるという傾向があり、これはPt本来の性質であり、密着性を上げるためバリアメタルを挿入は必然の方法である。
水素センサ動作の点からは、これらのバリアメタル層があると水素ガスがバリアメタル層でブロックあるいは吸蔵され、水素ガスに全く反応しなくなるか、水素応答感度が極めて低くなりセンサとしては使えなくなるという本質的な問題がある。
Further, in the processing process in the FET manufacturing process, partial film peeling occurs, and a technique for stably bonding Pt directly on the gate insulating film has not been established in a practical manufacturing process. Pt film peeling has a problem of contamination of the process equipment due to the Pt film peeled off during the manufacturing process. In the area of electronic devices such as Si and GaAs, Pt and SiO 2 are used when Pt is used. A technology has been established in which a barrier metal such as Ti, Mo, W or the like is inserted between an oxide, a semiconductor such as Si or GaAs, etc., to maintain adhesion and avoid contamination due to peeling. Pt is a noble metal and tends to be more stable when it is aggregated with Pt itself than when it is combined with oxygen or other constituent atoms of a solid material (oxide such as SiO 2 or semiconductor such as Si or GaAs). Yes, this is an inherent property of Pt, and the insertion of a barrier metal is an inevitable method for improving adhesion.
From the standpoint of hydrogen sensor operation, if these barrier metal layers are present, hydrogen gas is blocked or occluded by the barrier metal layers and either does not react to hydrogen gas at all, or the hydrogen response sensitivity becomes extremely low, making it unusable as a sensor. There is an essential problem.

一方、我々もPt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造に対して800℃30分の空気中アニールを行い、ポーラス構造を実現している(例えば、特許文献1において、図18にセンサ原理説明図を、図19にそのゲート断面TEM像を示している)。我々はまた、Pt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造に対して400℃で、2時間の空気中アニールを行い、Ti層が、TiOナノ結晶と超高濃度酸素ドープアモルファスTiの混合層になり、Pt粒界にTi、Oが高濃度に蓄積するPt−Ti−Oゲート構造を用いた水素センサを実現し、100ppmから1%の空気希釈水素濃度において、非常に高感度特性を実現している(例えば、特許文献1において、図12にセンサの濃度依存性と高感度特性を、図1にそのゲート構造を説明し、図2にゲート断面TEM像を示している)。本Pt−Ti−Oゲート構造は、その特性として、真性チップ寿命10年以上の優れた特性を有し、(例えば、宇佐川他、燃料電池、8巻、No.3、2009年、88−96ページ(非特許文献8)参照)、水素アニール処理を行うことで、飛躍的に閾値電圧Vthの再現性とウェハ内均一性が向上することを見出している(例えば、特許文献2の図7(a))。ただし、このPt−Ti−Oゲート構造では、動作温度115℃において、0.1−1.0%メタン、0.1%エタン、0.1%CO、817ppmイソオクタンには応答していない(非特許文献8)。 On the other hand, we have also annealed the Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si stacked film MOS structure in air at 800 ° C. for 30 minutes to realize a porous structure (for example, patents) In Document 1, FIG. 18 shows a sensor principle explanatory diagram, and FIG. 19 shows a gate cross-sectional TEM image thereof). We also annealed the Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si stacked film MOS structure in air at 400 ° C. for 2 hours, and the Ti layer was formed of TiO X nanocrystals. Realized a hydrogen sensor using a Pt-Ti-O gate structure that becomes a mixed layer of ultra-high oxygen-doped amorphous Ti and accumulates Ti and O at high concentration at the Pt grain boundary. Air diluted hydrogen from 100 ppm to 1% In the concentration, extremely high sensitivity characteristics are realized (for example, in Patent Document 1, FIG. 12 illustrates the concentration dependency and high sensitivity characteristics of the sensor, FIG. 1 illustrates the gate structure, and FIG. 2 illustrates the gate cross section). TEM image is shown). The present Pt—Ti—O gate structure has excellent characteristics such as an intrinsic chip life of 10 years or more as a characteristic (for example, Usagawa et al., Fuel Cell, Vol. 8, No. 3, 2009, 88-96). Page (see Non-Patent Document 8)), it has been found that by performing the hydrogen annealing process, the reproducibility of the threshold voltage Vth and the uniformity within the wafer are dramatically improved (for example, FIG. a)). However, this Pt—Ti—O gate structure does not respond to 0.1-1.0% methane, 0.1% ethane, 0.1% CO, 817 ppm isooctane at an operating temperature of 115 ° C. Patent Document 8).

上記バリヤアメタルの問題は、先願技術(特許文献1)で発明したPt−Ti−Oゲート構造を用いることで解決できている。   The above barrier metal problem can be solved by using the Pt—Ti—O gate structure invented by the prior application technique (Patent Document 1).

特開2009−300297号公報JP 2009-3000297 A 特願2009−254522Japanese Patent Application No. 2009-254522

清水他 応用物理 70巻 4号(2001年)423-427Shimizu et al. Applied Physics Vol.70 No.4 (2001) 423-427 I. Simon他 Sensors and Actuators B vol.73(2001) pp.1-26.I. Simon et al. Sensors and Actuators B vol.73 (2001) pp.1-26. T.Suzuki他 The 10th Int. Meeting. Chemical Sensors, 3B02, July11-14,2004, Tsukuba, Japan.T. Suzuki et al. The 10th Int. Meeting. Chemical Sensors, 3B02, July11-14,2004, Tsukuba, Japan. F.Winquist他 Appl. Phys. Lett Vol.43(1983) pp.839-841.F. Winquist et al. Appl. Phys. Lett Vol. 43 (1983) pp. 839-841. K.Dobos 他 IEEE ED vol.ED-32(1985) pp.1165-1169.K. Dobos et al. IEEE ED vol.ED-32 (1985) pp.1165-1169. H.Dannetun他 J.Appl. Phys Vol.66(1989) pp.1397-1402.H. Dannetun et al. J. Appl. Phys Vol. 66 (1989) pp.1397-1402. I. Lundstrom他 Sensors and Actuators, B1(1990)15-20I. Lundstrom et al. Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 宇佐川他 燃料電池, 8巻、N0.3 (2009)86-96Usagawa et al. Fuel Cell, Vol. 8, N0.3 (2009) 86-96

上述した従来のPt−Ti−Oゲート構造は、以下のような課題を有している。
(1)Pt−Ti−Oゲート構造では、水素以外にはほとんど応答せず、市販の水素センサ(接触燃焼式、金属酸化物半導体式、気体熱伝導式、固体電解質式)に比べて、選択性が強すぎる。
(2)Pt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造をベースにしたPt−Ti−Oゲート構造では、空気中水素濃度大略70ppm以下では、応答しない。また大略10%以上の濃度で、センサ応答強度ΔVgが更なる高濃度領域で飽和してしまう。
(3)空気中800℃30分で実現したポーラス構造(特許文献1を参照)では、Pt粒間隔が長すぎで、電気容量が小さくなり、結果として感度が低く、また間隙長を制御するが難しく、Pt粒間隙が空気で形成されるので、Pt膜の剥がれ易い。
(4)更にポーラス構造(特許文献1を参照)では、高温で処理するため、メタル形成前に高温熱処理を施す必要があり、その後の工程でPt粒子間間隙部分は絶縁膜で覆われてしまい、プロセス工程の終盤で、ゲート領域の絶縁膜を除去する過程では、Pt粒が薄すぎて、旨く間隙を残したまま絶縁膜を除去することが難しく、結果として電気容量の制御性が悪くなる。
The conventional Pt—Ti—O gate structure described above has the following problems.
(1) In the Pt-Ti-O gate structure, there is almost no response except for hydrogen, and it is selected compared to commercially available hydrogen sensors (contact combustion type, metal oxide semiconductor type, gas heat conduction type, solid electrolyte type). Sex is too strong.
(2) The Pt—Ti—O gate structure based on the Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si stacked film MOS structure does not respond when the hydrogen concentration in air is approximately 70 ppm or less. Further, at a concentration of approximately 10% or more, the sensor response intensity ΔVg is saturated in a further high concentration region.
(3) In the porous structure realized in air at 800 ° C. for 30 minutes (see Patent Document 1), the Pt grain interval is too long, the electric capacity is reduced, and as a result, the sensitivity is low and the gap length is controlled. It is difficult, and the Pt grain gap is formed with air, so the Pt film is easily peeled off.
(4) Further, since the porous structure (see Patent Document 1) is processed at a high temperature, it is necessary to perform a high-temperature heat treatment before forming the metal, and the inter-Pt interparticle gap portion is covered with an insulating film in the subsequent steps. In the process of removing the insulating film in the gate region at the end of the process step, it is difficult to remove the insulating film with the Pt grains being too thin and leaving a gap, resulting in poor controllability of the capacitance. .

そこで、上記課題(1)乃至(4)を解決すべく、本発明の目的を以下に述べる。   In order to solve the above problems (1) to (4), the object of the present invention will be described below.

本発明の目的(第1目的)は、超薄膜プラチナ粒界ナノ空間に金属化合物(ナノ化合物)が形成されていることを特徴とするナノコンポジット薄膜をガスセンサの感応膜に適用し、プラチナとナノ化合物の構成金属や膜厚や占有比率や形成条件を変える事で、水素およびそれ以外の様々なガスのセンシングに対応でき、さらに信頼性、特に長期信頼性の高い超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供することである。   An object (first object) of the present invention is to apply a nanocomposite thin film characterized in that a metal compound (nanocompound) is formed in an ultrathin platinum grain boundary nanospace to a sensitive film of a gas sensor, and By changing the compound metal, film thickness, occupancy ratio, and formation conditions of the compound, it is possible to respond to sensing of hydrogen and various other gases, and moreover, an ultra-thin gas sensor with high reliability, especially long-term reliability, and its manufacturing method. Is to provide.

また、本発明の他の目的(第2目的)は、超薄膜プラチナ粒とナノ金属化合物の占有比率を制御できるナノコンポジット薄膜を提供し、超薄膜プラチナ粒とナノ金属化合物間電気容量に吸着ガス分子が被着することで電気容量に蓄積する電荷量を電圧信号で読み出すことを実現する超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供することである。   In addition, another object (second object) of the present invention is to provide a nanocomposite thin film capable of controlling the occupation ratio of ultrathin platinum particles and nanometal compounds, and to adsorb gas to the capacitance between the ultrathin platinum particles and nanometal compounds. It is an object to provide an ultra-thin gas sensor that realizes reading out the amount of charge accumulated in an electric capacity by a voltage signal as a molecule is deposited, and a manufacturing method thereof.

さらに、本発明の他の目的(第3目的)は、ナノ金属化合物の占有比率を超薄膜プラチナ粒に比べて更に大きくするか、伝導キャリアが存在するナノ金属化合物を有するナノコンポジット薄膜を提供し、ナノ金属化合物に吸着ガス分子が被着することで、ナノコンポジット薄膜の電気抵抗が変化することを、流した電流変化或いは電圧変化或いは抵抗変化を読み出すことで実現する超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供することである。   Furthermore, another object of the present invention (third object) is to provide a nanocomposite thin film having a nanometal compound in which the occupation ratio of the nanometal compound is further increased as compared with that of ultrathin platinum particles or a conductive carrier is present. An ultra-thin gas sensor that realizes that the electrical resistance of the nanocomposite thin film changes by adsorbing adsorbed gas molecules to the nanometal compound by reading the current change, voltage change, or resistance change, and its manufacturing method Is to provide.

また、本発明の他の目的(第4目的)は、ガスセンサ搭載されるセンサチップ自身の信頼性向上を図ることにある。従来のPtポーラスゲート構造では、Pt粒間間隙が固体物質の存在しない空間(空隙と呼ぶ)だったので、更にPt粒が直接SiO、SiN、Taなどの絶縁膜上に形成され、剥がれ易い構造になっていたので、Ptとゲート絶縁膜との密着性が悪いという問題点があり、長期信頼性を保証できないでいた。今回、ナノコンポジット薄膜の下地膜を、ナノコンポジット薄膜を形成している金属化合物を含有する薄膜で形成することで、長期信頼性の高い超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供することである。 Another object (fourth object) of the present invention is to improve the reliability of a sensor chip itself mounted with a gas sensor. In the conventional Pt porous gate structure, the Pt intergranular space is a space (called void) where no solid substance exists, and thus Pt grains are directly formed on an insulating film such as SiO 2 , SiN, Ta 2 O 5. Since the structure is easy to peel off, there is a problem that the adhesion between Pt and the gate insulating film is poor, and long-term reliability cannot be guaranteed. This time, the nanocomposite thin film is formed of a thin film containing a metal compound that forms the nanocomposite thin film, thereby providing a long-term highly reliable ultra-thin gas sensor and a method for manufacturing the same.

また、本発明の他の目的(第5目的)は、数100pp以下で数ppm程度まで動作する水素センサ、および数%以上から数10%の濃度領域で動作する水素センサとその製造方法を提供することである。   Further, another object (fifth object) of the present invention is to provide a hydrogen sensor that operates up to several ppm at several hundred pp or less, a hydrogen sensor that operates in a concentration region of several% to several tens%, and a method for manufacturing the same. It is to be.

さらに、本発明の他の目的(第6目的)は、上記ナノコンポジット薄膜や上記下地膜をシリコンやSiC、GaN、GaAsなどの半導体基板上やガラス基板上に形成するガスセンサとその製造方法を提供することである。   Furthermore, another object of the present invention (sixth object) is to provide a gas sensor for forming the nanocomposite thin film and the base film on a semiconductor substrate such as silicon, SiC, GaN, GaAs or a glass substrate, and a method for manufacturing the same. It is to be.

また、本発明の他の目的(第7目的)は、上記目的を実現させるセンサ構造において、MEMS構造を適用することで、適用前に比べて1/100程度以下の低電力化とセンサ部分以外のセンサ基板温度を125℃以下にできる断熱構造を提供することである。   Another object of the present invention (seventh object) is to apply a MEMS structure in a sensor structure that realizes the above object, thereby reducing power consumption by about 1/100 or less compared to before the application and other than the sensor part. It is providing the heat insulation structure which can make the sensor substrate temperature below 125 degreeC.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態によるガスセンサは、(a)基板上に設けられたゲート絶縁膜と、(b)ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを具備し、ゲート電極上に吸着された被検知ガス分子により生じる電気的変化を、ゲート絶縁膜を介して検知するガスセンサであって、ゲート電極は、(b1)酸素を含有する酸素ドープアモルファス金属と前記金属の酸化物結晶とが混合した金属酸化物混合膜と、(b2)前記金属酸化物混合膜上に設けられたプラチナ膜とを有し、プラチナ膜は、複数のプラチナ結晶粒と該プラチナ結晶粒間に存在する粒界領域から構成され、粒界領域は、金属酸化物混合物により埋められ、プラチナ結晶粒の周囲が金属酸化物混合物により囲まれていることを特徴とする。   A gas sensor according to a typical embodiment includes: (a) a gate insulating film provided on a substrate; and (b) a gate electrode provided on the gate insulating film. A gas sensor for detecting an electrical change caused by a detection gas molecule through a gate insulating film, wherein the gate electrode is (b1) a metal in which an oxygen-doped amorphous metal containing oxygen and an oxide crystal of the metal are mixed An oxide mixed film; and (b2) a platinum film provided on the metal oxide mixed film, and the platinum film includes a plurality of platinum crystal grains and a grain boundary region existing between the platinum crystal grains. The grain boundary region is filled with a metal oxide mixture, and the platinum crystal grains are surrounded by the metal oxide mixture.

また、代表的な実施の形態によるガスセンサは、(a)半導体基板からなる下部電極と、(b)下部電極上に形成された容量絶縁膜と、(c)容量絶縁膜上に形成された上部電極と、を具備し、ゲート電極上に吸着された被検知ガス分子により生じる電気的変化を、ゲート絶縁膜を介して検知する容量素子を含むガスセンサであって、上部電極は、(c1)酸素を含有する酸素ドープアモルファス金属と金属の酸化物結晶とが混合した金属酸化物混合膜と、(c2)金属酸化物混合膜上に設けられたプラチナ膜とを有し、プラチナ膜は、複数のプラチナ結晶粒と該プラチナ結晶粒間に存在する粒界領域から構成され、粒界領域は、金属酸化物混合物により埋められ、プラチナ結晶粒の周囲が前記金属酸化物混合物により囲まれていることを特徴とする
また、代表的な実施の形態によるガスセンサは、基板の主面にMOS構造ガスセンサおよびヒータが形成されたセンサチップと、センサチップを搭載する実装基板と、センサチップと実装基板との間に挿入された断熱材を含むガスセンサであって、センサチップは、基板の裏側をくり貫いて形成されたMEMS領域と、MEMS領域上の基板表面側に形成されたヒータが形成されたヒータ領域と、基板の表面上に形成された、引き出し配線を介してヒータに繋がるパッド電極とを有し、実装基板は、該実装基板を貫通して外部との接続に用いられるリード端子と、パッド電極とリード端子とを接続するリード配線とを有し、ヒータ領域からMEMS領域の空洞を通じて、センサチップと断熱材とを挟んだ実装基板までの熱抵抗をRとし、ヒータ領域からMEMS領域縁までの熱抵抗をRとし、MEMS領域縁からシリコン基板を通して、断熱材から前記実装基板までの熱抵抗をRとし、MEMS領域縁からパッド電極までの熱抵抗とリード線との熱抵抗との総和の熱抵抗をRとすると、ヒータ領域からMEMS領域縁を通して実装基板までの熱抵抗Rは、R=R+R・R/(R+R)となり、ヒータ領域の表面積と同じ面積を有する円の半径をrとし、ヒータの加熱による雰囲気ガスの熱伝導度をλとし、ヒータ領域の設定温度と設置環境想定最低温度との差を温度差ΔTmaxとし、設定温度におけるヒータの電気抵抗と電源電圧とで決まるヒータへ投入されるヒータ最大電力をPowmaxとすると、ヒータ最大電力Powmaxが25mW以下で、Powmax/ΔTmax>1/R+1/R+4πλ・rを満足するように前記熱抵抗R、Rおよび前記ヒータ領域の表面積が設定されていることを特徴とする。
A gas sensor according to a typical embodiment includes (a) a lower electrode made of a semiconductor substrate, (b) a capacitive insulating film formed on the lower electrode, and (c) an upper part formed on the capacitive insulating film. A gas sensor including a capacitive element that detects an electrical change caused by a gas molecule to be detected adsorbed on the gate electrode through the gate insulating film, wherein the upper electrode includes (c1) oxygen And (c2) a platinum film provided on the metal oxide mixed film, wherein the platinum film includes a plurality of metal oxide mixed films containing oxygen-doped amorphous metal containing metal and metal oxide crystals. It is composed of platinum crystal grains and a grain boundary region existing between the platinum crystal grains. The grain boundary region is filled with a metal oxide mixture, and the periphery of the platinum crystal grains is surrounded by the metal oxide mixture. Special The gas sensor according to the representative embodiment includes a sensor chip having a MOS structure gas sensor and a heater formed on the main surface of the substrate, a mounting substrate on which the sensor chip is mounted, and a gap between the sensor chip and the mounting substrate. A gas sensor including an inserted heat insulating material, wherein the sensor chip includes a MEMS region formed by cutting through the back side of the substrate, a heater region in which a heater formed on the substrate surface side on the MEMS region is formed, A pad electrode formed on the surface of the substrate and connected to the heater via a lead-out wiring, the mounting substrate penetrating the mounting substrate and used for connection to the outside, the pad electrode and the lead R D is the thermal resistance from the heater region to the mounting substrate sandwiching the sensor chip and the heat insulating material through the cavity in the MEMS region. And then, the thermal resistance from the heater region to MEMS area edge and R M, through the silicon substrate from the MEMS region edge, the thermal resistance from the mounting substrate and R S of insulating material, the thermal resistance from the MEMS region edge to the pad electrode And the thermal resistance of the lead wire is R L , the thermal resistance R P from the heater region to the mounting substrate through the edge of the MEMS region is R P = R M + R S · R L / (R S + R L ), where r A is the radius of a circle having the same area as the surface area of the heater region, λ is the thermal conductivity of the atmospheric gas by heating the heater, and the difference between the set temperature of the heater region and the assumed minimum temperature of the installation environment Is the temperature difference ΔTmax, and the maximum heater power to be supplied to the heater determined by the electrical resistance of the heater and the power supply voltage at the set temperature is Powmax. 25mW below wherein the heat resistor R D, the surface area of R P and the heater area is set so as to satisfy the Powmax / ΔTmax> 1 / R D + 1 / R P + 4πλ · r A.

さらに、代表的な実施の形態によるガスセンサの製造方法は、(a)半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)該(a)工程後、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを有し、ゲート電極を形成する工程において、ゲート絶縁膜上に厚さ3−6nmを有するTi堆積し、その後、PtとTiの比が1:1から1:5程度の範囲で、前記Ti上にPtを堆積し、窒素、またはアルゴンで希釈した酸素雰囲気ガス中で400℃から650℃の温度範囲で20分から2時間程度加熱することを特徴とする。   Further, a gas sensor manufacturing method according to a representative embodiment includes (a) a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, and (b) forming a gate electrode on the gate insulating film after the (a) step. In the step of forming the gate electrode, Ti having a thickness of 3-6 nm is deposited on the gate insulating film, and then the ratio of Pt to Ti is in the range of about 1: 1 to 1: 5. Pt is deposited on the Ti and heated in a temperature range of 400 ° C. to 650 ° C. for 20 minutes to 2 hours in an oxygen atmosphere gas diluted with nitrogen or argon.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

超薄膜プラチナ粒界ナノ空間に金属化合物(ナノ化合物)が形成されていることを特徴とするナノコンポジット薄膜をガスセンサの感応膜に適用し、プラチナとナノ化合物の構成金属や膜厚や占有比率や形成条件を変える事で、水素およびそれ以外の様々なガスのセンシングに対応でき、さらに信頼性、特に長期信頼性の高い超薄膜ガスセンサとその製造方法が得られる。   A nanocomposite thin film characterized by the formation of a metal compound (nanocompound) in the ultra-thin platinum grain boundary nanospace is applied to the sensitive film of the gas sensor. By changing the formation conditions, it is possible to cope with sensing of hydrogen and various other gases, and further to obtain an ultra-thin gas sensor having high reliability, particularly long-term reliability, and a method for manufacturing the same.

プラチナ膜をゲート電極として使用するPt−Ti−OゲートSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極とその直下の積層構造を示す断面TEM(透過電子顕微鏡)写真である。FIG. 5 is a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) photograph showing a gate electrode and a laminated structure immediately below it in a Pt—Ti—O gate Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサ(図1A)において、ゲート電極とその直下の積層構造を示す模式図である。In the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor (FIG. 1A) using a platinum film as a gate electrode, it is a schematic diagram showing a gate electrode and a laminated structure immediately below the gate electrode. (a)は、Pt/Ti/SiO/Siの構造を空気中において800℃の熱処理温度で30分の熱処理時間のアニール処理を行ったときの断面TEM写真であり、(b)は、アニール処理前のPt/Ti/SiO/Siの構造を示す模式図である。(A) is a cross-sectional TEM photograph when the structure of Pt / Ti / SiO 2 / Si is annealed in air at a heat treatment temperature of 800 ° C. for 30 minutes, and (b) is an annealed product. it is a schematic view showing a structure of a pretreatment of Pt / Ti / SiO 2 / Si . プラチナをゲート電極に使用しているSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、ポーラスゲート構造を模式的に示す図である。In the Si-MOSFET type gas sensor which uses platinum for the gate electrode, it is a figure which shows typically a porous gate structure. プラチナ膜をゲート電極として使用するPt−Ti−OゲートSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極の上面からの平面TEM(透過電子顕微鏡)写真である。5 is a planar TEM (transmission electron microscope) photograph from the upper surface of a gate electrode in a Pt—Ti—O gate Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. プラチナ膜をゲート電極として使用するPt−Ti−OゲートSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極の上面からの観察したときの模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a Pt—Ti—O gate Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode when observed from the upper surface of the gate electrode. 本発明の容量支配的構造を有するプラチナ粒とTiOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOSFET型のガスセンサのゲート構造の断面模式図である。It is a schematic cross-sectional view of the gate structure of the Si-MOSFET type gas sensor having a nanocomposite structure consisting of platinum particles and TiO X nanostructure gate electrode having a capacity predominant structure of the present invention. 本発明の容量支配的構造を有するプラチナ粒とTiOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOSFET型のガスセンサのゲート構造表面の平断面模式図である。A plan sectional schematic view of platinum particles and Si-MOSFET type gas sensor gate structure surface having a nanocomposite structure consisting of TiO X nanostructure gate electrode having a capacity predominant structure of the present invention. 本発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOS構造のガスセンサのゲート構造の断面模式図である。It is a schematic cross-sectional view of a gate structure of a gas sensor Si-MOS structure having a nanocomposite structure consisting of platinum particles and SnO X nanostructure gate electrode having a resistance predominant structure of the present invention. 本発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOS構造のガスセンサのゲート構造表面の平断面模式図である。A plan sectional schematic view of a gate structure surface of the gas sensor of Si-MOS structure having a nanocomposite structure consisting of platinum particles and SnO X nanostructure gate electrode having a resistance predominant structure of the present invention. (a)、(b)、(c)は、それぞれ上記ナノコンポジット構造の機能の違いを平面模式図で説明する図である。(A), (b), (c) is a figure explaining the difference in the function of the said nanocomposite structure with a plane schematic diagram, respectively. 本発明の容量支配的構造を有するプラチナ粒とTiOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOSFET型のガスセンサの各種ガスに対する応答特性を示す図である。Is a diagram showing the response characteristics for the platinum particles and Si-MOSFET type various gases of a gas sensor having a nanocomposite structure consisting of TiO X nanostructure gate electrode having a capacity predominant structure of the present invention. 本発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に持つSi−MOS構造の説明図である。The nanocomposite structure consisting of platinum particles and SnO X nanostructures having a resistance predominant structure of the present invention is an explanatory diagram of the Si-MOS structure having the gate electrode. 本発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極のエネルギーバンド図である。It is the energy band figure of the gate electrode of the nanocomposite structure which consists of the platinum grain which has the resistance dominant structure of this invention, and a SnO X nanostructure. 本発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極の電気抵抗(センサ抵抗)とSnOナノ構造体の粒径との依存性を示す図である。Is a diagram illustrating the dependence of the electrical resistance of the platinum particles and SnO X nanostructures nanocomposite structure of the gate electrode composed of body (sensor resistance) and the particle size of SnO X nanostructures having a resistance predominant structure of the present invention . 発明の抵抗支配的構造を有するプラチナ粒とSnOナノ構造体からなるナノコンポジット構造をゲート電極に適用したセンサにおけるガス種とガス濃度依存性を示す図である。It is a figure which shows the gas type and gas concentration dependence in the sensor which applied the nanocomposite structure which consists of the platinum grain which has the resistance dominant structure of invention, and a SnO X nanostructure to the gate electrode. (a)、(b)は、実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the process of manufacturing the Si-MOSFET type gas sensor in Embodiment 1. FIG. (a)、(b)、(c)は、実施の形態2におけるSi−MOS型のガスセンサを製造する工程を示す図である。(A), (b), (c) is a figure which shows the process of manufacturing the Si-MOS type gas sensor in Embodiment 2. FIG. 実施の形態3における水素ガスセンサを形成している半導体チップの光学顕微鏡写真である。5 is an optical micrograph of a semiconductor chip forming a hydrogen gas sensor in a third embodiment. (a)は、実施の形態4におけるn型半導体基板上に形成されたセンサFETの断面構造を示す図である。(b)は、n型半導体基板上に形成された参照FETの断面構造を示す図である。(A) is a figure which shows the cross-section of sensor FET formed on the n-type semiconductor substrate in Embodiment 4. FIG. (B) is a figure which shows the cross-section of the reference FET formed on the n-type semiconductor substrate. 本発明の実施の形態5によるセンサ用MISFETの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of MISFET for sensors by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5によるセンサチップの要部平面図である。It is a principal part top view of the sensor chip by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5によるMEMS領域に形成されたブリッジ領域の一部を拡大した要部平面図である。It is the principal part top view which expanded a part of bridge region formed in the MEMS area | region by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5によるMEMS領域に形成されたブリッジ領域の一部を拡大した図11CのA−A′線に沿った要部断面図である。FIG. 12 is an essential part cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 11C in which a part of a bridge region formed in the MEMS region according to the fifth embodiment of the present invention is enlarged. (a)、(b)、および(c)のそれぞれは、本発明の実施の形態5におけるセンサチップを実装したガスセンサの断面模式図、ステム台座の裏面模式図、およびステム台座の表面模式図である。Each of (a), (b), and (c) is a schematic cross-sectional view of a gas sensor mounted with a sensor chip in Embodiment 5 of the present invention, a schematic back view of a stem base, and a schematic front view of a stem base. is there. (a)および(b)のそれぞれは、それぞれ本発明の実施の形態5による消費電力特性を説明するグラフ図およびガスセンサのヒータ消費電力特性を説明するグラフ図である。Each of (a) and (b) is a graph for explaining the power consumption characteristics according to Embodiment 5 of the present invention and a graph for explaining the heater power consumption characteristics of the gas sensor.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.

(実施の形態1)
まず、本発明者らが検討した技術について説明する。図1Aに、前述の特許文献1で示すPt−Ti−Oゲート構造のゲート電極部分のTEM(透過電子顕微鏡)観察像を図示し、図1Bにその模式図を示す。観察に用いた図1Aの試料は、電子線ビーム蒸着法(EB蒸着)により、Pt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造を形成し、半導体プロセス工程の後、ゲート電極上の保護絶縁膜を除去後、1気圧の空気中で400℃、2時間のアニール処理を行い形成したものである。
(Embodiment 1)
First, a technique studied by the present inventors will be described. FIG. 1A shows a TEM (transmission electron microscope) observation image of the gate electrode portion of the Pt—Ti—O gate structure shown in Patent Document 1 described above, and FIG. 1B shows a schematic diagram thereof. The sample of FIG. 1A used for observation formed a Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si laminated film MOS structure by electron beam evaporation (EB evaporation), Then, after removing the protective insulating film on the gate electrode, it is formed by annealing at 400 ° C. for 2 hours in air at 1 atm.

構造の特徴は、Pt粒界領域77(図1Aの(3)や(4)で示す)にTi、Oの凝集77aが形成され、実効的にPt粒界領域が広げられ、水素を通す回廊77aが形成されており、この回廊に存在するTi、Oの凝集を仮にTiOのナノ構造体と呼ぶとPt層は、Pt粒の周辺にTiOのナノ構造体を配するPtとTiOナノ構造体のナノコンポジット構造とみなすことができる。 The structure is characterized by the formation of Ti and O agglomerates 77a in the Pt grain boundary region 77 (shown by (3) and (4) in FIG. 1A), effectively expanding the Pt grain boundary region and allowing the passage of hydrogen. 77a is formed, Ti present in the corridor, the aggregation of O tentatively referred to as nanostructure TiO X Pt layer, Pt for distribution nanostructures TiO X around the Pt particles and TiO X It can be regarded as a nanocomposite structure of a nanostructure.

模式図1Bの粒界領域上部には酸素ドープチタン、または、酸化チタンからなる微結晶2cが形成されている。更に下部にあるTi層2はTiOナノ結晶2a(図1Aの(2)で示す金属の酸化物結晶)と酸素を非常に高い濃度でドープしたアモルファスTi(酸素ドープアモルファス金属)2bの混合膜(金属酸化物混合膜)で形成される。この混合膜において、Tiと酸素がPt粒間を接着させる糊の役目を果たし、膜剥がれや亀裂の発生など長期信頼性の問題を解決できたものと考える。 A microcrystal 2c made of oxygen-doped titanium or titanium oxide is formed in the upper part of the grain boundary region in the schematic diagram 1B. Further, the Ti layer 2 at the bottom is a mixed film of TiO X nanocrystals 2a (metal oxide crystals shown by (2) in FIG. 1A) and amorphous Ti (oxygen-doped amorphous metal) 2b doped with oxygen at a very high concentration. (Metal oxide mixed film). In this mixed film, it is considered that Ti and oxygen acted as a glue for bonding Pt grains, and solved long-term reliability problems such as film peeling and cracking.

一方、我々もPt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造に対して800℃30分の空気中アニールを行い、ポーラス構造を実現している(例えば、特開2009−300297(特許文献1))。図1Cは、Pt/Ti/SiO/Siの構造を空気中において800℃の熱処理温度で30分の熱処理時間のアニール処理を行ったときの断面TEM写真(図1C(a)参照)と、アニール処理前のPt/Ti/SiO/Siの構造を図1C(a)の右側領域(図1C(b)参照)に示す。図1C(a)に示す断面TEM写真から、アニール処理後、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚が大きく変化していることがわかる。このとき、チタン膜はX線回折からほぼTiO(ルチル構造)の結晶88であることが分かっている。プラチナ膜のモフォロジーも図1Aに示す400℃の熱処理温度で2時間の熱処理時間のアニール処理後のゲート構造とは大きく異なっていることがわかる。 On the other hand, we also annealed the Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si stacked film MOS structure in air at 800 ° C. for 30 minutes to realize a porous structure (for example, Open 2009-300277 (Patent Document 1)). FIG. 1C is a cross-sectional TEM photograph (see FIG. 1C (a)) of the structure of Pt / Ti / SiO 2 / Si when annealed in air at a heat treatment temperature of 800 ° C. for a heat treatment time of 30 minutes. The structure of Pt / Ti / SiO 2 / Si before annealing is shown in the right region of FIG. 1C (a) (see FIG. 1C (b)). From the cross-sectional TEM photograph shown in FIG. 1C (a), it can be seen that the film thickness of the titanium film and the film thickness of the platinum film change greatly after the annealing treatment. At this time, it is known from the X-ray diffraction that the titanium film is almost a crystal 88 of TiO 2 (rutile structure). It can be seen that the morphology of the platinum film is also significantly different from the gate structure after annealing for 2 hours at a heat treatment temperature of 400 ° C. shown in FIG. 1A.

続いて、断面TEM写真図1C(a)とその模式図である図1Dを参照しながら本構造におけるガスセンサの動作原理について説明する。図1Dは、ゲート構造を模式的に示す図である。図1Dにおいて、シリコンよりなる半導体基板5上に酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜4が形成されている。そして、ゲート絶縁膜4上に酸化チタン膜88が形成されている。この酸化チタン膜88は、作製条件により、ルチル構造をした酸化チタン微結晶からなる薄膜、ルチル構造に加えアナターゼ構造が混じる酸化チタン微結晶からなる薄膜、あるいは、酸素ドープチタン膜が混じる酸化チタン微結晶の薄膜である。   Next, the principle of operation of the gas sensor in this structure will be described with reference to a cross-sectional TEM photograph FIG. 1C (a) and FIG. 1D which is a schematic diagram thereof. FIG. 1D is a diagram schematically showing a gate structure. In FIG. 1D, a gate insulating film 4 made of silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 5 made of silicon. A titanium oxide film 88 is formed on the gate insulating film 4. This titanium oxide film 88 is a thin film made of a titanium oxide microcrystal having a rutile structure, a thin film made of a titanium oxide microcrystal mixed with an anatase structure in addition to a rutile structure, or a titanium oxide fine film mixed with an oxygen-doped titanium film, depending on the manufacturing conditions. It is a thin film of crystals.

センサ応答のメカニズムはSensors and Actuators, B1(1990)15−20(非特許文献7)やその参照文献で議論されているように、アンモニアガス、COガス、メタンガスなどが島状のプラチナ微結晶3aの表面に付着し、分子そのものの非対称性による電気双極子や対称性の高い分子でも吸着による分子の分極により、実効的な分子の分極1が発生し、プラチナ微結晶3aの表面電位φsを変化させる。これにより、プラチナ微結晶3aとゲート絶縁膜4の表面にプラチナの存在しない間隙領域(隙間7a)との間の電気容量C、間隙領域とチャネル領域19との間の電気容量C、プラチナ微結晶3aとチャネル領域19との間の電気容量Cの容量系に対して、電気容量Cと電気容量Cが直列に入り、電気容量Cとは並列に構成されている。このため、表面電位φsの変化量Δφsとの間に、
ΔV=ΔφsC・C/[C・C+C(C+C)] 式(1)
の関係があり、ガス吸着に対してゲート電位の変化ΔVを観測できる。このようにして、本実施の形態1におけるガスセンサはガス濃度をゲート電位の変化ΔVとして検出することができる。つまり、本実施の形態1におけるガスセンサは、上述した動作原理からプラチナ微結晶の表面電位を変化させるガスであれば検出することができることを意味する。なお、図1Dに示す隙間7aには、製造工程で絶縁材料が形成される場合があるが、その場合でもガスセンサとしては上述した動作によりガス濃度を検知することができる。このガスセンサのゲート構造の特徴は、(111)方向に配向したプラチナ微結晶3a間の粒界領域が消出し、プラチナ微結晶21a間に隙間7aが形成されている点である。
As discussed in Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 (Non-patent Document 7) and its reference literature, the mechanism of sensor response is the island-shaped platinum microcrystal 3a formed of ammonia gas, CO gas, methane gas, or the like. Even when an electric dipole due to the asymmetry of the molecule itself or a highly symmetric molecule is attached to the surface of the metal, the effective molecular polarization 1 occurs due to the molecular polarization due to adsorption, and the surface potential φs of the platinum microcrystal 3a changes. Let As a result, the capacitance C S between the platinum microcrystal 3 a and the gap region (gap 7 a) where platinum does not exist on the surface of the gate insulating film 4, the capacitance C E between the gap region and the channel region 19, platinum With respect to the capacitance system of the capacitance C M between the microcrystal 3 a and the channel region 19, the capacitance C S and the capacitance C E enter in series, and the capacitance C M is configured in parallel. For this reason, between the change amount Δφs of the surface potential φs,
ΔV = Δφs C S · C E / [C S · C E + C M (C S + C E )] Formula (1)
Therefore, a change ΔV in gate potential can be observed with respect to gas adsorption. In this way, the gas sensor according to the first embodiment can detect the gas concentration as the change ΔV in the gate potential. In other words, the gas sensor according to the first embodiment means that any gas that changes the surface potential of platinum microcrystals can be detected from the above-described operating principle. Note that an insulating material may be formed in the gap 7a shown in FIG. 1D in the manufacturing process, but even in that case, the gas concentration can be detected by the above-described operation as the gas sensor. A feature of the gate structure of this gas sensor is that a grain boundary region between platinum microcrystals 3a oriented in the (111) direction disappears and a gap 7a is formed between platinum microcrystals 21a.

その後、図1Aおよび図1BのPt−Ti−Oゲート構造を詳しく調べる目的で、図1Aのゲート電極の表面方向からの平面TEM観察を行い、図1Eに示す観察像を得た。その結果、図1Eから5−20nmのPt結晶粒と数nmのチタン酸化物TiO(点線領域:酸素を超高濃度にドープしたアモルファスチタンも混ざるがTiOと以下記述)のナノコンポジット構造を形成していることがわかってきた。X線解析の結果からプラチナ粒はfcc(面心立方格子)結晶構造の微結晶が(111)方向に配向した薄膜であることがわかっている。この平面TEM観察から、Pt−Ti−Oゲート構造として図1Fの模式図を得た。プラチナ粒3が接触しながらプラチナ粒界にチタン酸化物TiO7が疎らに散らばる構造をしている。プラチナ粒3とプラチナ粒3の間隔は図に示すように、分布しているが平均間隔11がこの場合、小さく、図1Fで示したPt−Ti−Oゲート構造では、Pt粒界間に存在するTiOのナノ構造体の専有部分は小さく、Pt粒とPt粒が接触し、電気的にはショートしている状態の場所が大半を占めていた。この場合プラチナ粒3が接触、重なる領域9がかなりの確率で存在する。 Thereafter, for the purpose of examining the Pt—Ti—O gate structure in FIGS. 1A and 1B in detail, planar TEM observation from the surface direction of the gate electrode in FIG. 1A was performed to obtain an observation image shown in FIG. 1E. As a result, from FIG. 1E, a nanocomposite structure of 5-20 nm Pt crystal grains and several nm titanium oxide TiO X (dotted line region: amorphous titanium doped with ultra-high concentration of oxygen, but also described as TiO X is described below) It has been found that it has formed. From the results of X-ray analysis, it is known that platinum grains are thin films in which microcrystals having an fcc (face centered cubic lattice) crystal structure are oriented in the (111) direction. From this planar TEM observation, a schematic diagram of FIG. 1F was obtained as a Pt—Ti—O gate structure. While the platinum grains 3 are in contact with each other, the titanium oxide TiO X 7 is loosely scattered in the platinum grain boundaries. The spacing between the platinum grains 3 and the platinum grains 3 is distributed as shown in the figure, but the average spacing 11 is small in this case, and in the Pt—Ti—O gate structure shown in FIG. 1F, it exists between the Pt grain boundaries. The occupied portion of the TiO X nanostructure was small, and most of the places were in the state where Pt grains and Pt grains were in contact and electrically short-circuited. In this case, the region 9 where the platinum particles 3 are in contact and overlapping exists with a considerable probability.

一方、図1C(a)及び図1Dで示したポーラス構造では、プラチナ微結晶間に形成される隙間7aの幅が100nm程度あり非常に広いので、容量Csが小さくなりすぎて感度が悪い点と隙間7aが空隙である点が、デバイス構造としては大きな問題である。実用的には、プラチナ微結晶間に形成される隙間7aの幅は数nmから10nm程度であることが望ましい。しかし、同じ膜厚のPt/Ti/SiO/Siの構造から出発して、形態の異なるゲート構造(図1A、図1Bと図1C、図1D)を実現していることは、PtとTiの膜厚や膜厚比、膜厚構造、Ti以外の金属の検討、更にはアニール条件の検討変更を行うことで、以下に示す新たなデバイス創生が可能になった。 On the other hand, in the porous structure shown in FIGS. 1C (a) and 1D, the width of the gap 7a formed between the platinum microcrystals is about 100 nm and is very wide, so that the capacitance Cs becomes too small and the sensitivity is poor. The point that the gap 7a is a gap is a big problem as a device structure. Practically, it is desirable that the width of the gap 7a formed between the platinum microcrystals is about several nm to 10 nm. However, starting from a Pt / Ti / SiO 2 / Si structure with the same film thickness, realizing different gate structures (FIGS. 1A, 1B, 1C, and 1D) is that Pt and Ti By studying the film thickness, film thickness ratio, film thickness structure, metal other than Ti, and further changing the annealing conditions, the following new device creation became possible.

超薄膜Pt粒界ナノ空間に形成されるTiOナノ構造体とPt粒の両者の統計的比率(面積比や体積比)を人工的に制御することで、Pt粒界間にTiOのナノ構造体が占有すれば、つまり、Pt粒がTiOのナノ構造体で取り囲まれる構造を形成することで、Pt粒間が容量結合で結ばれる構造が実現される。これにより、従来技術で説明したポーラス構造Ptゲート構造を実効的に実現でき、Pt粒間が空隙ではなく、TiOナノ構造体で埋めることができる。この構造体は、真空に比べて誘電率が非常に大きく、同一容量寸法に比べて誘電率の大きさ分だけ実効的に電気容量が大きくなり、実効的に誘電率の大きさ分だけ高感度になる。 By artificially controlling both statistical ratio of TiO X nanostructures and Pt particles formed ultra thin Pt grain boundary nanospace (area ratio or volume ratio), nano TiO X between the Pt grain boundary If the structure occupies, that is, a structure in which the Pt grains are surrounded by the TiO X nanostructure, a structure in which the Pt grains are connected by capacitive coupling is realized. Thereby, the porous Pt gate structure described in the prior art can be effectively realized, and the space between Pt grains can be filled with a TiO X nanostructure instead of a void. This structure has a very large dielectric constant compared to a vacuum, effectively increases the capacitance by the amount of the dielectric constant compared to the same capacitance dimension, and is highly sensitive by the amount of the dielectric constant. become.

また、空隙場合、ゲート電極形成後SiOやPSG(リンドープガラス)、あるいは窒化シリコン(SiN)などの絶縁膜で埋められ、最後にセンサゲート部分の絶縁膜を除去する必要が発生し、空隙部分のみを残して除去する技術が必要にある。しかし、TiOナノ構造体で埋められている場合には、TiOナノ構造体直上で絶縁膜を選択的に除去することは容易である。また最大の特徴は、TiOナノ構造体のナノコンポジット構造をとること、及び特異なTi混合層という形態をとることで、ゲート絶縁膜上の接着性を著しく高める効果がある。つまり、現在までに検討されてきたポーラスPtゲート構造に比べて、Pt−Ti−O構造の形成形態から高い信頼性を実現できる。 In the case of a gap, the gate electrode is formed and filled with an insulating film such as SiO 2 , PSG (phosphorus doped glass), or silicon nitride (SiN), and finally the insulating film in the sensor gate portion needs to be removed. There is a need for a technique that removes only the part. However, when the TiO X nanostructure is filled, it is easy to selectively remove the insulating film directly on the TiO X nanostructure. The greatest feature is that it has the effect of remarkably enhancing the adhesion on the gate insulating film by taking the nanocomposite structure of TiO X nanostructure and taking the form of a unique Ti mixed layer. That is, compared with the porous Pt gate structure examined so far, high reliability can be realized from the formation form of the Pt—Ti—O structure.

前述した本発明の「第2の目的」をSi−MOS(Metal−Oxide−Semiconductor)構造のゲート電極に適用した場合について、ゲート断面模式図(図2A)とゲート電極平面模式図(図2B)に示す。ゲート断面模式図(図2A)には、シリコン基板5上に、ゲート絶縁膜SiO 4上にTiOナノ結晶2aと酸素を非常に高い濃度でドープしたアモルファスTi 2aの混合膜(ここではTi混合層2とよぶ)上に、(111)配向Pt粒3がTiOナノ構造体7で実効的に囲まれている構造を示す。図では反転層19が形成されている。平面図(図2B)では、(111)配向Pt粒3がTiOナノ構造体7で実効的に囲まれている構造を示している。この構造の特徴は、図1Fに示すPt−Ti−Oゲート構造と異なり、Pt粒3同士の平均間隔11が広く、Pt粒間が容量結合で結ばれる構造であり、Pt粒とPt粒間の電気的にはショートする部分9が少ない点である。これにより、(1)式で示す吸着ガスによる表面電位φsの変化による電位変化としてMOS構造の閾値電圧Vth(またはフラットバンド電圧VF)の変化量ΔVとして分子吸着量をセンシングできる。実際には、電気容量を大きくするため、平均Pt粒間距離11が1nm−10nm程度が望ましい。TiOナノ構造体7のように誘電率が大きいことやTiOナノ構造体7中はキャリヤがほとんど存在しないことも特徴のひとつである。この場合TiOナノ構造体7中には、実効的に電子、正孔などのフリーキャリアは存在しないか、存在しても僅かである。平均Pt粒間距離11を小さくする理由は、電気容量を大きくするためと、キャリア濃度がバルク状態で例えば、1021個/cm以上(なお、上限は固溶限(TiO2)までとする)存在するような導電性酸化物でも、数nm程度であれば、Pt粒3とTiOナノ構造体7とのショットキー障壁のため、本構造の特徴の一つは、TiOナノ構造体7内は完全空乏化していることである。構造としての特徴は、Pt粒とPt粒間の電気的にはショートする部分9が少ない点である。ただし、TiOのナノ構造体7は、動作温度で完全乏化した状態か、キャリアの存在しない絶縁体である。 When the above-mentioned “second object” of the present invention is applied to a gate electrode having a Si-MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) structure, a schematic cross-sectional view of the gate (FIG. 2A) and a schematic plan view of the gate electrode (FIG. 2B). Shown in In the gate cross-sectional schematic diagram (FIG. 2A), a mixed film of amorphous Ti 2a (here Ti Ti doped with a very high concentration of TiO X nanocrystal 2a and oxygen on the gate insulating film SiO 2 4 on the silicon substrate 5). A structure in which (111) -oriented Pt grains 3 are effectively surrounded by TiO X nanostructures 7 on the mixed layer 2) is shown. In the figure, an inversion layer 19 is formed. The plan view (FIG. 2B) shows a structure in which (111) -oriented Pt grains 3 are effectively surrounded by TiO X nanostructures 7. Unlike the Pt—Ti—O gate structure shown in FIG. 1F, this structure is characterized in that the average interval 11 between the Pt grains 3 is wide and the Pt grains are connected by capacitive coupling, and between the Pt grains and the Pt grains. There are few points 9 which are electrically short-circuited. Thereby, the molecular adsorption amount can be sensed as a change amount ΔV of the threshold voltage Vth (or flat band voltage VF) of the MOS structure as a potential change due to a change in the surface potential φs due to the adsorption gas expressed by the equation (1). Actually, in order to increase the electric capacity, the average Pt intergranular distance 11 is preferably about 1 nm to 10 nm. Among possible and TiO X nanostructures 7 having a larger dielectric constant as TiO X nanostructures 7 it is also one of the features that no carrier hardly exists. In this case, in the TiO X nanostructure 7, free carriers such as electrons and holes are not effectively present, or few exist. The reason for reducing the average Pt intergranular distance 11 is to increase the electric capacity, and for example, the carrier concentration in the bulk state is 10 21 pieces / cm 3 or more (the upper limit is the solid solution limit (TiO 2 )). ) Even if a conductive oxide exists, if it is about several nanometers, one of the features of this structure is the TiO X nanostructure because of the Schottky barrier between the Pt grains 3 and the TiO X nanostructure 7 7 is completely depleted. The structural feature is that there are few electrically shorted portions 9 between the Pt grains and the Pt grains. However, the TiO X nanostructure 7 is an insulator that is completely depleted at the operating temperature or has no carriers.

一方、前述した本発明の「第3の目的」をSi−MOS(Metal−Oxide−Semiconductor)構造のゲート電極に適用した場合のゲート断面模式図(図2C)とゲート電極平面模式図(図2D)に示す。この場合、Tiに変えてSn(錫)を用いた場合について説明する。ゲート断面模式図(図2C)には、シリコン基板5a上に、ゲート絶縁膜SiO 4上にSnOナノ結晶2aと酸素を非常に高い濃度でドープしたアモルファスSn 2bの混合膜(ここではSn混合層2とよぶ)上に、(Pt粒3がSnOナノ構造体7で実効的に囲まれている構造を示す。平面図(図2D)では、Pt粒3がSnOナノ構造体7で実効的に囲まれている構造を示している。この構造の特徴は、図2A、図2Bに示す構造と異なり、Pt粒とPt粒間の平均距離11が数nm以上と広くなるか、SnOナノ構造体7が半導体的特性を有し、伝導性キャリアが存在する点が特徴である。酸化錫SnOの場合、酸化の程度(組成比xの割合)に依存して、その電子濃度を大略1015個/cmから2×1020個/cm程度まで変えることができ、実質的にn型半導体である。 On the other hand, a gate cross-sectional schematic diagram (FIG. 2C) and a gate electrode plan schematic diagram (FIG. 2D) when the above-described “third object” of the present invention is applied to a gate electrode having a Si-MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) structure. ). In this case, a case where Sn (tin) is used instead of Ti will be described. In the gate cross-sectional schematic diagram (FIG. 2C), a mixed film of SnO X nanocrystals 2a and amorphous Sn 2b doped with oxygen at a very high concentration on the gate insulating film SiO 2 4 (here Sn is shown). A structure in which the Pt grains 3 are effectively surrounded by the SnO X nanostructures 7 is shown on the mixed layer 2. In the plan view (FIG. 2D), the Pt grains 3 are SnO X nanostructures 7. 2A and 2B, the feature of this structure is that the average distance 11 between the Pt grains and the Pt grains is as wide as several nm or more, The SnO X nanostructure 7 has semiconducting properties and is characterized by the presence of conductive carriers, and tin oxide SnO X has its electrons depending on the degree of oxidation (ratio of composition ratio x). Concentration is about 10 15 pieces / cm 3 to 2 × 10 20 It can be changed up to about 3 / cm 3 and is substantially an n-type semiconductor.

空気中に曝されている場合、プラチナ粒3を取り囲むようにSnOナノ構造体7が形成され、プラチナ粒3とSnOナノ構造体7の接触のため、SnOナノ構造体7中にその界面から、ナノ構造体7中にはいわゆる空乏層6、6aが形成されているが、アンモニアガス、COガス、メタンガスなどの還元性ガスがSnOナノ構造体7の表面に付着し、分子そのものの非対称性による電気双極子や対称性の高い分子でも吸着による分子の分極により、実効的な分子の分極1が発生し、SnOナノ構造体7の表面電位φsを変化させ、SnOナノ構造体7中の空乏層6,6aは、空乏層10,10aのように縮む。酸化性ガスが被着した時には、反対にSnOナノ構造体7中の空乏層6、6aの厚さは広がる(図は省略)。本構造では、ゲート電極の面内方向の電気抵抗のガス吸着有無での変化をセンシングの原理とするので、MOSFET動作を利用するわけではないが、Si基板上に絶縁膜を形成し本ゲート構造を形成するので、構造上広義のMOS構造と見なし便宜上ゲート電極と呼ぶ(キャリアを制御する電極ではない)
以上の説明では、PtとTiOとSnOの場合で説明したが、我々が見出した構造は、プラチナ膜の場合、高温で酸化されにくい性質をうまく利用している点に構造実現の鍵があるので、Pt以外の酸化しづらい触媒作用のある物質であれば適用できる。例えばIr(イリジウム)、Ru(ルテニウム)、La(ランタン)、更にはこれらの金属とPtとの合金、あるいはこれらの金属同士の合金などがある。Ptの触媒機能を中心に考えると、下地の金属はTi層である必要はなく、アニール処理も空気である必要もない。特に、金属酸化物において、ガスセンサに適用できる金属はなら適用できる。Tiの他には、錫(Sn)、インジウム(In)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)膜、タンタル(Ta)膜、ニオブ(Nb)膜、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)などである。
If it is exposed to air, SnO X nanostructures 7 so as to surround the platinum particles 3 are formed, for contact with the platinum particle 3 and SnO X nanostructures 7 during its SnO X nanostructures 7 From the interface, so-called depletion layers 6 and 6a are formed in the nanostructure 7, but a reducing gas such as ammonia gas, CO gas, or methane gas adheres to the surface of the SnO X nanostructure 7 and the molecule itself. Even with electric dipoles with high asymmetry and highly symmetric molecules, due to molecular polarization due to adsorption, an effective molecular polarization 1 is generated, and the surface potential φs of the SnO X nanostructure 7 is changed to produce SnO X nanostructures. The depletion layers 6 and 6a in the body 7 shrink like the depletion layers 10 and 10a. On the other hand, when the oxidizing gas is deposited, the thickness of the depletion layers 6 and 6a in the SnO X nanostructure 7 is increased (not shown). In this structure, the change in electrical resistance in the in-plane direction of the gate electrode is based on the sensing principle. Therefore, MOSFET operation is not used, but an insulating film is formed on the Si substrate. Therefore, it is regarded as a MOS structure in a broad sense and called a gate electrode for convenience (not an electrode for controlling carriers).
In the above description, the case of Pt, TiO X and SnO X has been described. However, the structure we have found is that the key to realizing the structure is that the platinum film makes good use of the property that it is difficult to be oxidized at high temperatures. Therefore, any substance other than Pt having a catalytic action that is difficult to oxidize can be applied. For example, there are Ir (iridium), Ru (ruthenium), La (lanthanum), alloys of these metals with Pt, or alloys of these metals. Considering the catalytic function of Pt, the underlying metal does not need to be a Ti layer, and neither the annealing process nor the air is necessary. In particular, in the metal oxide, any metal that can be applied to the gas sensor can be applied. Besides Ti, tin (Sn), indium (In), iron (Fe), cobalt (Co), tungsten (W), molybdenum (Mo) film, tantalum (Ta) film, niobium (Nb) film, chromium (Cr), nickel (Ni), and the like.

Pt/Ti等の金属超薄膜2層構造を、膜形成法(EB蒸着、スパッタ法)、各膜厚と膜厚比の調整、空気他のガス中アニール条件を制御する事でPt粒径と金属化合物ナノコンポジット領域の統計的比率(面積比や体積比)を人工的に制御する技術を開発できれば、Pt粒界ナノ空間に金属化合物で形成して、その占有比を設計できれば、従来不可能であった、Si基板上に各種ガスセンサ群を構築できる(シリコンプラットホーム)。   Pt particle size can be adjusted by controlling the film formation method (EB deposition, sputtering method), adjustment of each film thickness and film thickness ratio, and annealing conditions in air and other gases. If technology that artificially controls the statistical ratios (area ratio and volume ratio) of the metal compound nanocomposite region can be developed, it will be impossible if the occupancy ratio can be designed by forming a metal compound in the Pt grain boundary nanospace. Various gas sensor groups can be constructed on the Si substrate (silicon platform).

本発明のガスセンサ原理をこれまでに説明したPt/Ti系で纏めると図3に示すことができる。図3は、ゲート電極平面方向から見たときの材料構造(ナノコンポジット構造)を示している。
図3(a)は、従来発明であるPt−Ti−Oゲート構造のゲート電極平面図である。Pt−Ti−Oゲート構造では、Pt粒界間に存在するTiOのナノ構造体7の専有部分は小さく、Pt粒3とPt粒3が接触し、電気的にはショートしている状態の場所が大半を占めていた。この場合プラチナ粒3が接触、重なる領域9がかなりの確率で存在する。これをPt支配的形態と呼ぶ。この場合、Pt粒界領域が非常に狭く、水素分子に対して選択的な感度を有している。
The principle of the gas sensor of the present invention can be summarized in the Pt / Ti system described above and shown in FIG. FIG. 3 shows a material structure (nanocomposite structure) as viewed from the plane direction of the gate electrode.
FIG. 3A is a plan view of a gate electrode of a Pt—Ti—O gate structure according to the conventional invention. In the Pt—Ti—O gate structure, the exclusive portion of the TiO X nanostructure 7 existing between the Pt grain boundaries is small, and the Pt grain 3 and the Pt grain 3 are in contact with each other and are electrically short-circuited. The place occupied the majority. In this case, the region 9 where the platinum particles 3 are in contact and overlapping exists with a considerable probability. This is called the Pt dominant form. In this case, the Pt grain boundary region is very narrow and has selective sensitivity to hydrogen molecules.

図3(b)は、図2Bに対応し、Pt粒3同士の平均間隔11が広く、Pt粒間が容量結合で結ばれる構造であり、Pt粒とPt粒間の電気的にはショートする部分9がほとんど無いか、あっても僅かな点である。ただし、TiOのナノ構造体7はセンサ動作温度で、完全乏化した状態か、キャリアのいない絶縁体である。これを容量支配的形態と呼ぶ。 FIG. 3B corresponds to FIG. 2B and has a structure in which the average interval 11 between the Pt grains 3 is wide and the Pt grains are connected by capacitive coupling, and the Pt grains and the Pt grains are electrically short-circuited. There is little or no portion 9. However, the nanostructure 7 of TiO X is a completely depleted state or an insulator without carriers at the sensor operating temperature. This is called a capacity-dominated form.

図3(c)は、図2Dに対応し、Pt粒3同士の平均間隔11が図3(b)に比べて更に広いか、或いは、TiOのナノ構造体7中の伝導キャリアが存在する状態になったPt粒間が抵抗結合で結ばれる構造であり、本構造面内の電気抵抗が主として、TiOのナノ構造体7中の伝導キャリアの抵抗とPt粒3とTiOのナノ構造体7の接触抵抗で決まる状態である。Pt粒とPt粒間の電気的にはショートする部分9がほとんど無いか、あっても僅かである。これを抵抗支配的形態と呼ぶ。 3C corresponds to FIG. 2D, and the average interval 11 between the Pt grains 3 is wider than that in FIG. 3B, or there are conductive carriers in the nanostructure 7 of TiO X. The Pt grains in a state are connected by resistance coupling, and the electrical resistance in this structure plane is mainly the resistance of conductive carriers in the TiO X nanostructure 7 and the Pt grains 3 and the TiO X nanostructure. This is a state determined by the contact resistance of the body 7. There is little or no electrical short 9 between the Pt grains and the Pt grains. This is called a resistance-dominated form.

具体的ゲート構造の作成方法は後述するとして、図2A、図2Bに対応した例で、本発明をSi−MOSFETのゲート電極に適用し、CO、CH、NH、NOガスに対するセンサ応答強度ΔVgの空気中ガス濃度に適用したときのデータを図4に示す。FETセンサの動作温度は150℃である。これまで単純なPt−Ti−O構造では応答しなかったCO、CH、NH、NOガスに対して応答が見出され、従来のポーラス構造に比べて数倍以上感度が良いので、今回の構造が、センサ原理式(1)で説明できることを示している。特に誘電率の高いTiOのナノ構造体を挿入したナノキャパシタが多数形成される効果が出たものと考える。応答強度ΔVgはソースドレイン電圧Vds=1.5V、ソールドレイン電流Ids=10μAとなるゲート電圧Vgをしきい値電圧Vthと定義し、ガス照射でのVth変化量の絶対値と定義した。 The specific gate structure creation method will be described later. In the example corresponding to FIGS. 2A and 2B, the present invention is applied to the gate electrode of the Si-MOSFET, and the sensor response intensity to CO, CH 4 , NH 3 , NO gas is applied. FIG. 4 shows data when applied to an air gas concentration of ΔVg. The operating temperature of the FET sensor is 150 ° C. Responses to CO, CH 4 , NH 3 , and NO gas that have not responded with a simple Pt—Ti—O structure have been found so far, and the sensitivity is several times better than the conventional porous structure. This indicates that the structure can be described by the sensor principle equation (1). In particular, it is considered that the effect of forming a large number of nanocapacitors in which TiO X nanostructures having a high dielectric constant are inserted is obtained. The response intensity ΔVg was defined as a threshold voltage Vth, which is a gate voltage Vg at which a source / drain voltage Vds = 1.5 V and a sole drain current Ids = 10 μA, and was defined as an absolute value of a Vth change amount due to gas irradiation.

一方、抵抗支配的形態の場合について、ゲート電極部分の断面構造模式図2Cを更に詳しく説明する。図2CのPt領域の断面構造を図5Aに示す。図中12で示すラインのPt粒3とSnOのナノ構造体7とPt粒3のエネルギーバンド図を図5Bに記載する。図中13はフェルミレヴェルで、SnOのナノ構造体7の伝導体のエネルギーバンドがPt粒3と接触してその界面での接合障壁からSnOのナノ構造体7中に延びる空乏層14が記載されている。これは、空気中に曝されている場合のエネルギーバンド図である。アンモニアガス、COガス、メタンガスなどの還元性ガスがSnOナノ構造体7の表面に付着し、分子そのものの非対称性による電気双極子や対称性の高い分子でも吸着による分子の分極により、実効的な分子の分極1が発生し、SnOナノ構造体7の表面電位φsを変化させ、SnOナノ構造体7中の空乏層14は、空乏層16のように縮む。NOガスなどの酸化性ガスが被着した時には、反対にSnOナノ構造体7中の空乏層14の厚さは空乏層15のように広がる。本構造では、SnOのナノ構造体7上に還元性ガスが吸着したときには、SnOナノ構造体7中の空乏層14が縮むためSnOナノ構造体7中の電気抵抗が下がるので、このことを利用してガス濃度をセンシングできる。即ちゲート電極の面内方向の電気抵抗のガス吸着有無での変化をセンシングの原理とする。 On the other hand, in the case of the resistance dominant form, the cross-sectional schematic diagram 2C of the gate electrode portion will be described in more detail. FIG. 5A shows a cross-sectional structure of the Pt region in FIG. 2C. FIG. 5B shows an energy band diagram of the Pt grains 3, the SnO X nanostructure 7 and the Pt grains 3 in the line indicated by 12 in the figure. In the figure, reference numeral 13 denotes a Fermi level, and a depletion layer 14 in which the energy band of the conductor of the SnO X nanostructure 7 comes into contact with the Pt grains 3 and extends into the SnO X nanostructure 7 from the junction barrier at the interface. Are listed. This is an energy band diagram when exposed to air. Reducing gas such as ammonia gas, CO gas, methane gas, etc. adheres to the surface of the SnO X nanostructure 7, and even the electric dipole due to the asymmetry of the molecule itself and the highly symmetric molecule are effective due to the polarization of the molecule due to adsorption. polarization 1 is generated in a molecule, by changing the surface potential φs of SnO X nanostructures 7, the depletion layer 14 in the SnO X nanostructures 7, shrinks as the depletion layer 16. On the contrary, when an oxidizing gas such as NO 2 gas is deposited, the thickness of the depletion layer 14 in the SnO X nanostructure 7 spreads like the depletion layer 15. In this structure, when the reducing gas on the nanostructures 7 of SnO X is adsorbed, because the electrical resistance in the SnO X nanostructures 7 a depletion layer 14 in the SnO X nanostructures 7 contracts decreases, the This makes it possible to sense the gas concentration. That is, the sensing principle is the change in the electric resistance in the in-plane direction of the gate electrode with or without gas adsorption.

具体的ゲート構造の作成方法は後述するとして、図2C、図2Dに対応した例で、先ず実際のゲート構造の抵抗変化の例を図6Aに示す。本データは、SnOナノ構造体7の粒径(図では結晶子径と記載)を変えてセンサ抵抗の変化を測定したデータをフィッティングした曲線である。動作温度は250℃である。空気中のセンサ抵抗を14aに、還元性ガスとしてメタン1000ppm中のセンサ抵抗を16aに、酸化性ガスとしてNOを10ppm流したときのセンサ抵抗を15aに示す。結晶子径はSnOのナノ構造体7の平均的粒径で代用してある。4nm以下の粒径でセンサ抵抗が急激に立ち上がるのは、粒径が小さくなるに従い、図5Bに示す空乏層が両端のPt粒界面から延びて結合し、急速にSnOのナノ構造体7中の伝導キャリアが減少するためである。 A specific method for creating the gate structure will be described later, and an example corresponding to FIGS. 2C and 2D. First, an example of the actual resistance change of the gate structure is shown in FIG. 6A. This data is a curve obtained by fitting data obtained by measuring the change in the sensor resistance by changing the particle diameter of the SnO X nanostructure 7 (described as crystallite diameter in the figure). The operating temperature is 250 ° C. The 14a of the sensor resistance in the air, in 16a of the sensor resistance in the methane 1000ppm as the reducing gas, shows the sensor resistance when a current 10ppm of NO 2 as the oxidizing gas to 15a. The crystallite diameter is substituted by the average particle diameter of the SnO X nanostructure 7. The sensor resistance rises abruptly in the following particle size 4nm, in accordance with the particle diameter decreases, the depletion layer shown in FIG. 5B is attached extends from Pt particle surface across rapidly in nanostructures 7 of SnO X This is because the number of conduction carriers decreases.

この現象を用いて、本発明をSi−MOS基板上に適用し、CO、CH、Hガスに対するセンサ特性を図6Bに示した。センサの動作温度は250℃である。応答強度Rs/R0の基準抵抗R0は、空気中水素ガス100ppm濃度を基準に取ったときの被験ガスのセンサ抵抗Rsとの被で、応答強度Rs/R0のガス濃度依存性を示している。 Using this phenomenon, the present invention was applied to a Si-MOS substrate, and sensor characteristics for CO, CH 4 , and H 2 gases were shown in FIG. 6B. The operating temperature of the sensor is 250 ° C. The reference resistance R0 of the response intensity Rs / R0 is a ratio of the response intensity Rs / R0 to the gas resistance dependence of the response resistance Rs / R0 with the sensor resistance Rs of the test gas when the hydrogen gas in air concentration is 100 ppm.

これまで、CO、CH、NH、NOガスに対してのガスセンサは、厚膜(0.2−20μm)での金属酸化物に触媒を担持させた焼結体型が主流であったが、薄膜でもこのように構造を工夫することで、長期信頼性と低温動作を得た。焼結体方式では、粒界間バリアが高く、金属酸化物粒界間の接触抵抗が大きいので、センサ動作温度を400℃程度に高くする必要があった。 Until now, the mainstream of gas sensors for CO, CH 4 , NH 3 , and NO gas was a sintered body type in which a catalyst is supported on a metal oxide with a thick film (0.2-20 μm). By devising the structure in this way even for thin films, long-term reliability and low-temperature operation were obtained. In the sintered body method, since the barrier between grain boundaries is high and the contact resistance between metal oxide grain boundaries is large, it is necessary to increase the sensor operating temperature to about 400 ° C.

次に、図2Aや図2Cに開示したゲート構造の作製方法について説明する。先ず図2Aの構造作製方法を開示する。Si基板5上に熱酸化膜SiO4を形成後、電子ビーム蒸着(EB蒸着)法により、チタン(Ti)を10nm、更にプラチナ(Pt)5nmを形成後、一気圧の空気中にて、550℃で1時間加熱すること形成した。チタン(Ti)膜厚は、5nmから15nm、プラチナ(Pt)膜厚は1nmから10nm程度であり、加熱温度は350℃から600℃程度である。プラチナ(Pt)膜厚とチタン(Ti)膜厚との比率は、1:1から1:5程度の範囲を用いた。なお、加熱時間は、20分から2時間程度の範囲で設定した。また、加熱時の雰囲気は、空気または、窒素、もしくはアルゴンで希釈した酸素を用いている。以下の製法においても加熱時間、雰囲気は同様とした。 Next, a method for manufacturing the gate structure disclosed in FIGS. 2A and 2C will be described. First, a method for fabricating the structure of FIG. 2A will be disclosed. After forming the thermal oxide film SiO 2 4 on the Si substrate 5, after forming titanium (Ti) 10nm and further platinum (Pt) 5nm by electron beam evaporation (EB evaporation) method, in air at one atmospheric pressure, It was formed by heating at 550 ° C. for 1 hour. The titanium (Ti) film thickness is 5 nm to 15 nm, the platinum (Pt) film thickness is about 1 nm to 10 nm, and the heating temperature is about 350 ° C. to 600 ° C. The ratio of the platinum (Pt) film thickness to the titanium (Ti) film thickness was in the range of 1: 1 to 1: 5. The heating time was set in the range of about 20 minutes to 2 hours. The atmosphere during heating is air, nitrogen, or oxygen diluted with argon. The heating time and atmosphere were the same in the following production methods.

第二の方法はPt−Ti−O構造で作製した方法と同じく、先ず電子ビーム蒸着(EB蒸着)法により、チタン(Ti)を5nm、更にプラチナ(Pt)15nmを形成後、一気圧の空気中にて、400℃で40分加熱し、Pt−Ti−O構造を形成した。その後650℃30分間一気圧の空気中にて加熱することで図2Aの構造を形成した。通例、550℃から700℃程度の温度範囲で加熱している。   The second method is the same as the method prepared with the Pt—Ti—O structure. First, 5 nm of titanium (Ti) and 15 nm of platinum (Pt) are formed by electron beam evaporation (EB evaporation), and then air at one atmospheric pressure is formed. Heated at 400 ° C. for 40 minutes to form a Pt—Ti—O structure. Thereafter, the structure of FIG. 2A was formed by heating in air at 650 ° C. for 30 minutes at one atmospheric pressure. Usually, heating is performed in a temperature range of about 550 ° C. to 700 ° C.

第三の方法は、Ti層をEB蒸着法で5nm形成後、共蒸着法によりPtとTiが1:3程度の割合でPtとTiを同時に蒸着させた。膜厚は15nmである。蒸着後、一気圧の空気雰囲気中で、550℃で2時間加熱した。この場合、厳密には、図2Aとは異なるが、チタン酸化物中にPt粒界が分散する構造となった。PtとTiの比は1:1から1:5程度の範囲で用いている。アニール温度は400℃から650℃程度の範囲である。   In the third method, after a Ti layer was formed to 5 nm by EB vapor deposition, Pt and Ti were vapor-deposited simultaneously at a ratio of about 1: 3 Pt and Ti by co-evaporation. The film thickness is 15 nm. After vapor deposition, it was heated at 550 ° C. for 2 hours in an air atmosphere at 1 atm. In this case, although strictly different from FIG. 2A, the Pt grain boundary is dispersed in the titanium oxide. The ratio of Pt and Ti is used in the range of 1: 1 to 1: 5. The annealing temperature is in the range of about 400 ° C to 650 ° C.

次に、図2Cの構造作製方法を開示する。Si基板5上に熱酸化膜SiO4を形成後、電子ビーム蒸着法により、錫(Sn)を10nm、更にプラチナ(Pt)5nmを形成後、一気圧の空気雰囲気で500℃で1時間加熱した。通例350℃から650℃で加熱している。プラチナ(Pt)膜厚と錫(Sn)膜厚との比率は、1:1から1:5程度の範囲を用いた。なお、加熱時間は、20分から2時間程度の範囲で設定した。また、加熱時の雰囲気は、空気または、窒素、もしくはアルゴンで希釈した酸素を用いている。以下の製法においても加熱時間、雰囲気は同様とした。
第二の方法は、共蒸着法によりPtとSnが1:2程度の割合でPtとTiを同時に蒸着させた。膜厚は15nmである。蒸着後一気圧の空気中にて400℃で2時間加熱した。
PtとSnの比は1:1から1:5程度の範囲で、加熱温度は通例350℃から650℃で行っている。
Next, the structure manufacturing method of FIG. 2C is disclosed. After forming a thermal oxide film SiO 2 4 on the Si substrate 5, tin (Sn) 10 nm and platinum (Pt) 5 nm are formed by electron beam evaporation, and then heated at 500 ° C. for 1 hour in an air atmosphere of 1 atm. did. Usually it is heated at 350 to 650 ° C. The ratio between the platinum (Pt) film thickness and the tin (Sn) film thickness was in the range of 1: 1 to 1: 5. The heating time was set in the range of about 20 minutes to 2 hours. The atmosphere during heating is air, nitrogen, or oxygen diluted with argon. The heating time and atmosphere were the same in the following production methods.
In the second method, Pt and Ti were vapor-deposited simultaneously at a ratio of Pt and Sn of about 1: 2 by a co-evaporation method. The film thickness is 15 nm. After vapor deposition, it was heated at 400 ° C. in air at 1 atm for 2 hours.
The ratio of Pt and Sn is in the range of about 1: 1 to 1: 5, and the heating temperature is typically 350 ° C. to 650 ° C.

続いて、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサの製造方法について説明する。Si−MOSFET型のガスセンサの製造方法自体はすでに良く理解されている技術であるので、本実施の形態1では、本発明の主要部分であるゲート構造を製造する工程と、酸素雰囲気中でのアニール処理する工程を中心に説明する。本実施の形態1では、ゲート長(Lg)が20μmでゲート幅(Wg)が300μmのnチャネル型MOSFETを製造している。以下にこの製造方法について図7(a)を参照しながら説明する。   Then, the manufacturing method of the Si-MOSFET type gas sensor in this Embodiment 1 is demonstrated. Since the manufacturing method itself of the Si-MOSFET type gas sensor itself is a well-understood technique, in the first embodiment, a process for manufacturing a gate structure, which is a main part of the present invention, and annealing in an oxygen atmosphere are performed. The process will be described mainly. In the first embodiment, an n-channel MOSFET having a gate length (Lg) of 20 μm and a gate width (Wg) of 300 μm is manufactured. This manufacturing method will be described below with reference to FIG.

まず、図7(a)に示すように、p型不純物を導入した半導体基板28に局所分離領域26、26aを形成する。この局所分離領域26、26aは、ゲート電極形成領域を定義するため、局所酸化を行って、例えば膜厚が250nmの酸化シリコン膜から形成される。次に、半導体基板28の表面にn型チャネル領域を形成するため、不純物のイオン注入をドーズ量10×1011/cmで行う。その後、半導体基板28内にソース領域27とドレイン領域27aとなるn型半導体領域を形成するためのイオン注入を行ないSi−MOSFETの能動層を形成する。 First, as shown in FIG. 7A, local isolation regions 26 and 26a are formed in a semiconductor substrate 28 into which a p-type impurity has been introduced. The local isolation regions 26 and 26a are formed from a silicon oxide film having a thickness of, for example, 250 nm by performing local oxidation in order to define a gate electrode formation region. Next, in order to form an n-type channel region on the surface of the semiconductor substrate 28, impurity ions are implanted at a dose of 10 × 10 11 / cm 2 . Thereafter, ion implantation for forming n + type semiconductor regions to be the source region 27 and the drain region 27a is performed in the semiconductor substrate 28 to form an active layer of the Si-MOSFET.

続いて、半導体基板28(ウェハ)に対して前処理を実施した後、半導体基板28の表面に膜厚が18nmのゲート絶縁膜25を形成する。このゲート絶縁膜25は、例えば、酸化シリコン膜から形成され、酸素雰囲気中の熱酸化法により形成することができる。その後、例えば、リフトオフ法により、ゲート絶縁膜上にゲート電極20を形成する。ゲート電極20は、この段階では、ゲート絶縁膜25上に形成されたチタン膜と、チタン膜上に形成されたプラチナ膜との積層膜から構成される。チタン膜の膜厚は、例えば、10nmであり、プラチナ膜の膜厚は、例えば、5nmである。このとき、図7(a)に示すように、ゲート電極20の形成領域を規定する局所分離領域26に合わせてソース領域27とドレイン領域27aを構成するn型半導体領域を形成されている。そして、ゲート電極20は、ゲート絶縁膜25上だけでなく、局所分離領域26の淵上を覆うように形成され、ゲート電極20の端部がn型半導体領域の端部上と重なるように配置される。これは、本実施の形態1では、Si−MOSFETの形成方法として主流であるゲート電極20に対して自己整合的にn型半導体領域を形成する技術が使えないからである。ゲート電極20を構成するチタン膜とプラチナ膜は電子線照射蒸着法(EB蒸着法)で形成し、その成膜速度は1Å/sである。 Subsequently, after pre-processing the semiconductor substrate 28 (wafer), a gate insulating film 25 having a thickness of 18 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 28. The gate insulating film 25 is formed of, for example, a silicon oxide film and can be formed by a thermal oxidation method in an oxygen atmosphere. Thereafter, the gate electrode 20 is formed on the gate insulating film by, for example, a lift-off method. At this stage, the gate electrode 20 is composed of a laminated film of a titanium film formed on the gate insulating film 25 and a platinum film formed on the titanium film. The film thickness of the titanium film is, for example, 10 nm, and the film thickness of the platinum film is, for example, 5 nm. At this time, as shown in FIG. 7A, n + type semiconductor regions constituting the source region 27 and the drain region 27a are formed in accordance with the local isolation region 26 that defines the formation region of the gate electrode 20. The gate electrode 20 is formed so as to cover not only the gate insulating film 25 but also the top of the local isolation region 26, and is arranged so that the end of the gate electrode 20 overlaps the end of the n + type semiconductor region. Is done. This is because the first embodiment cannot use a technique for forming an n + type semiconductor region in a self-aligned manner with respect to the main gate electrode 20 as a method for forming a Si-MOSFET. The titanium film and the platinum film constituting the gate electrode 20 are formed by electron beam irradiation vapor deposition (EB vapor deposition), and the film formation rate is 1 Å / s.

チタン膜とプラチナ膜の形成方法は、EB(電子線ビーム)蒸着法である。シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に薄膜を形成している。まず、薄膜としてチタン膜のみを形成して評価したところ、膜厚1nm〜10nmのチタン膜は非晶質で結晶粒は観測されず、表面は一様で凹凸はほとんど見られなかった。チタン膜の膜厚を45nmと厚くしても膜中のほとんどは非晶質で、部分的にチタン金属結晶粒が存在する傾向があったが、表面は一様で凹凸はほとんど見られなかった。これは、シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に形成したプラチナ膜の形態(モフォロジー)とは先に述べたように大きく異なっていた。   The formation method of the titanium film and the platinum film is an EB (electron beam) evaporation method. A thin film is formed on a silicon oxide film formed on a silicon substrate. First, when only a titanium film was formed and evaluated as a thin film, the titanium film with a film thickness of 1 nm to 10 nm was amorphous, crystal grains were not observed, the surface was uniform, and unevenness was hardly seen. Even when the thickness of the titanium film was increased to 45 nm, most of the film was amorphous and there was a tendency for the titanium metal crystal grains to partially exist, but the surface was uniform and almost no irregularities were seen. . This was greatly different from the form (morphology) of the platinum film formed on the silicon oxide film formed on the silicon substrate as described above.

そこで、シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に何種類かの膜厚のチタン膜を形成し、膜厚の異なる連続成膜でプラチナ膜を成膜した。このプラチナ膜はやはりfcc(面心立方格子)結晶構造の微結晶が(111)方向に配向した薄膜であった。このゲート金属部分の形成方法は、通例のスパッタ装置による製膜では、ゲート絶縁膜中に多数のスパッタダメージが発生し、FETの閾値電圧Vthが大きくばらつくので、センサFETの形成には望ましくない(たとえば、先願発明、特開2009−300297(特許文献1)において、図18に示すようにゲート金属をスパッタ膜で形成したセンサFETの閾値電圧Vthは非常に大きくバラつく。このバラつきは、適当な熱処理を経てもEB蒸着のように均一なVthを実現させるのは難しい。)。   Therefore, several kinds of titanium films were formed on the silicon oxide film formed on the silicon substrate, and platinum films were formed by continuous film formation with different film thicknesses. This platinum film was also a thin film in which fine crystals having an fcc (face centered cubic lattice) crystal structure were oriented in the (111) direction. This method for forming the gate metal portion is not desirable for the formation of the sensor FET because a large amount of sputter damage occurs in the gate insulating film and the threshold voltage Vth of the FET varies greatly in the film formation by the usual sputtering apparatus ( For example, in the prior invention, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-300277 (Patent Document 1), the threshold voltage Vth of a sensor FET in which a gate metal is formed of a sputtered film varies greatly as shown in FIG. It is difficult to achieve a uniform Vth as in EB vapor deposition even after a heat treatment.)

次に、高純度の空気中(酸素を含む雰囲気中)において、熱処理温度が550℃で熱処理時間が1時間であるアニール処理(熱処理)を実施することにより、図2Aおよび図2Bに示す本実施の形態1の特徴である容量的ゲート構造を実現することができる。   Next, in the high-purity air (in an atmosphere containing oxygen), the annealing shown in FIGS. 2A and 2B is performed by performing an annealing treatment (heat treatment) in which the heat treatment temperature is 550 ° C. and the heat treatment time is 1 hour. The capacitive gate structure that is the feature of the first embodiment can be realized.

その後、図7(a)に示すように、ゲート電極20上を含む半導体基板28上にPSG(リンドープガラス)からなる絶縁膜24を形成する。そして、この絶縁膜24を貫通するコンタクト孔を形成し、表面処理などの工程を経る。絶縁膜24の膜厚は、500nmとした。通常、絶縁膜24の膜厚は、400nm〜1000nmの範囲で選ぶことが多い。そして、コンタクトホール内を含む絶縁膜24上にシリコンを含有するアルミニウム(Al)膜からなるソース電極21およびドレイン電極22を形成する。ソース電極21およびドレイン電極22の膜厚は、例えば、500nmである。図7(a)には図示していないが、ゲート電極20の引き出し電極やチップを加熱するヒータとして、ソース電極21やドレイン電極22と同じシリコンを含有するアルミニウム膜から形成されるアルミニウム配線も形成される。このアルミニウム配線の配線幅は、例えば、10μmであり、配線長は29000μmである。   Thereafter, as shown in FIG. 7A, an insulating film 24 made of PSG (phosphorus-doped glass) is formed on the semiconductor substrate 28 including the gate electrode 20. Then, a contact hole penetrating the insulating film 24 is formed, and a process such as surface treatment is performed. The film thickness of the insulating film 24 was 500 nm. Usually, the thickness of the insulating film 24 is often selected in the range of 400 nm to 1000 nm. Then, the source electrode 21 and the drain electrode 22 made of an aluminum (Al) film containing silicon are formed on the insulating film 24 including the inside of the contact hole. The film thickness of the source electrode 21 and the drain electrode 22 is, for example, 500 nm. Although not shown in FIG. 7A, an aluminum wiring formed of an aluminum film containing the same silicon as the source electrode 21 and the drain electrode 22 is also formed as a heater for heating the extraction electrode of the gate electrode 20 and the chip. Is done. The wiring width of the aluminum wiring is, for example, 10 μm, and the wiring length is 29000 μm.

続いて、アルミニウム配線上に保護膜として機能する絶縁膜23を半導体基板28上に形成する。この絶縁膜23は、例えば、リンドープガラス(PSG)を200nm形成後、窒化シリコン膜から形成され、低温プラズマCVD法によって形成することができる。絶縁膜23の膜厚は、例えば、700nmである。最後に、ボンディングワイヤと接続するために電極パッド(図示せず)上に開口部を形成し、かつ、図7(a)に示すようにセンサ部であるゲート電極20を露出するように開口部を形成する。このようにして、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを形成することができる。   Subsequently, an insulating film 23 functioning as a protective film is formed on the semiconductor substrate 28 on the aluminum wiring. This insulating film 23 is formed of, for example, a silicon nitride film after forming phosphorous-doped glass (PSG) with a thickness of 200 nm, and can be formed by a low temperature plasma CVD method. The film thickness of the insulating film 23 is 700 nm, for example. Finally, an opening is formed on an electrode pad (not shown) for connection to the bonding wire, and the opening is formed so as to expose the gate electrode 20 as the sensor as shown in FIG. 7A. Form. In this way, the Si-MOSFET type gas sensor according to the first embodiment can be formed.

本実施の形態1では、ゲート絶縁膜25に酸化シリコン膜を使用しているが、この酸化シリコン膜上に酸化タンタル(Ta)膜、酸化アルミニウム(Al)膜や窒化シリコン(Si)膜などの絶縁膜を形成してもよい。この工程後、ゲート電極を構成するチタン膜とプラチナ膜からなる積層膜形成し、その後は上述した工程と同様の工程を経て、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを形成してもよい。 In the first embodiment, a silicon oxide film is used as the gate insulating film 25. On this silicon oxide film, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, or silicon nitride is used. An insulating film such as a (Si 3 N 4 ) film may be formed. After this step, a laminated film composed of a titanium film and a platinum film constituting the gate electrode is formed, and after that, the Si-MOSFET type gas sensor in the first embodiment is formed through the same process as described above. Good.

空気中アニールにより、Ti層やゲート絶縁膜(酸化シリコン膜)中に存在するトラップ準位が多く発生するので、115℃−250℃程度の温度で1000ppから1%の水素ガスによりトラップ順位を補償することでVthの均一性再現性がよくなることはPt−T−Oゲート水素センサと同じである。このような製造方法で、図4に示したガスセンサ特性(説明済み)を得た。   Since many trap levels exist in the Ti layer and gate insulating film (silicon oxide film) by annealing in air, trap order is compensated by hydrogen gas from 1000pp to 1% at a temperature of about 115 ℃ -250 ℃. As a result, the reproducibility of Vth uniformity is the same as that of the Pt—T—O gate hydrogen sensor. With such a manufacturing method, the gas sensor characteristics (explained) shown in FIG. 4 were obtained.

本実施の形態1に示すSi−MOSFET型のガスセンサにおいては、アルミニウム膜を使用して配線や電極(ソース電極21、ドレイン電極22)を形成する例を説明したが、本実施の形態1の変形例では、配線の信頼性を向上する目的で、金膜を使用した配線とシリコンへのオーミックコンタクトを確実にとる例について説明する。本変形例において、絶縁膜24にコンタクトホールを形成するまでの工程は、図7(a)に示す本実施の形態1と同様である。   In the Si-MOSFET type gas sensor shown in the first embodiment, the example in which the wiring and the electrodes (the source electrode 21 and the drain electrode 22) are formed using the aluminum film has been described. In the example, for the purpose of improving the reliability of the wiring, an example in which the wiring using the gold film and the ohmic contact to the silicon are surely taken will be described. In this modification, the process until the contact hole is formed in the insulating film 24 is the same as that in the first embodiment shown in FIG.

続いて、コンタクトホール内を含む絶縁膜24上にモリブデン膜(100nm)、金膜(500nm)、モリブデン膜(10nm)を順次形成する。このとき、モリブデン膜(100nm)は、EB蒸着法で形成し、最後に、スパッタリング法で金膜(500nm)とモリブデン膜(10nm)を形成する。そして、これらの積層膜をパターニングすることにより、図7(b)に示すソース電極21a(ドレイン電極22aは図示せず)と配線46を形成する。金はシリコン中を比較的低温でも拡散する影響があるので、バリアメタルとしてモリブデン膜(100nm)を使用している。この場合、配線46などを形成した後に加熱処理を行なうと、例えば、ソース電極21aと半導体基板28の接触領域に、モリブデンとシリコンの合金膜であるモリブデンシリサイド(MoSi)膜221を形成することができる。モリブデン膜(100nm)は金のシリコンへの拡散を抑制するバリア膜として機能する。モリブデン膜(10nm)は絶縁膜23との接着性を良くするために挿入されている。このモリブデン膜(100nm)、金膜(500nm)、モリブデン膜(10nm)からなる配線はパッド部分にも用いているので、パッド部分の形成時には、表面に出るモリブデン膜(10nm)を除去する。この場合、チップと実装基板のつなぎ方は、金線によるボンディングが錆防止やパッド部分との接着性を上げるため、金線を用いている。   Subsequently, a molybdenum film (100 nm), a gold film (500 nm), and a molybdenum film (10 nm) are sequentially formed on the insulating film 24 including the inside of the contact hole. At this time, the molybdenum film (100 nm) is formed by EB vapor deposition, and finally, a gold film (500 nm) and a molybdenum film (10 nm) are formed by sputtering. Then, by patterning these laminated films, the source electrode 21a (the drain electrode 22a is not shown) and the wiring 46 shown in FIG. 7B are formed. Since gold has an effect of diffusing in silicon even at a relatively low temperature, a molybdenum film (100 nm) is used as a barrier metal. In this case, when heat treatment is performed after the wiring 46 and the like are formed, for example, a molybdenum silicide (MoSi) film 221 that is an alloy film of molybdenum and silicon can be formed in a contact region between the source electrode 21 a and the semiconductor substrate 28. it can. The molybdenum film (100 nm) functions as a barrier film that suppresses diffusion of gold into silicon. The molybdenum film (10 nm) is inserted in order to improve the adhesiveness with the insulating film 23. Since the wiring composed of the molybdenum film (100 nm), the gold film (500 nm), and the molybdenum film (10 nm) is also used for the pad portion, the molybdenum film (10 nm) that appears on the surface is removed when the pad portion is formed. In this case, the method of connecting the chip and the mounting substrate uses a gold wire because bonding with the gold wire prevents rust and improves the adhesion to the pad portion.

ソース電極21aと半導体基板28の間にモリブデンシリサイド膜221を形成することにより、ソース電極21aと半導体基板28とのオーミックコンタクトを確実にとることができる。このように配線材料として金膜を使用する構造では、配線材料としてアルミニウム膜を使用する構造に比べて高価になるが、耐湿性や耐酸化性に優れている。このことから、配線の信頼性を確保する観点からは配線に金膜を使用し、コストを低減する観点からは配線にアルミニウム膜を使用するというように配線材料を使い分けることができる。   By forming the molybdenum silicide film 221 between the source electrode 21 a and the semiconductor substrate 28, an ohmic contact between the source electrode 21 a and the semiconductor substrate 28 can be ensured. As described above, the structure using the gold film as the wiring material is more expensive than the structure using the aluminum film as the wiring material, but is excellent in moisture resistance and oxidation resistance. From this, it is possible to use different wiring materials, such as using a gold film for the wiring from the viewpoint of ensuring the reliability of the wiring and using an aluminum film for the wiring from the viewpoint of reducing the cost.

以上のように、本実施の形態1では製造工程中にゲート電極を構成するプラチナ膜の下層にチタン膜を形成しているSi−MOSFET型のガスセンサについて説明しているが、チタン膜の代わりに、Tiの他には、錫(Sn)、インジウム(In)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)膜、タンタル(Ta)膜、ニオブ(Nb)膜、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)膜などを用いても本実施の形態1で説明したのと同様の手法により高信頼性、かつ、高感度のガスセンサを形成できることは言うまでもない。   As described above, the first embodiment describes the Si-MOSFET type gas sensor in which the titanium film is formed under the platinum film constituting the gate electrode during the manufacturing process, but instead of the titanium film. In addition to Ti, tin (Sn), indium (In), iron (Fe), cobalt (Co), tungsten (W), molybdenum (Mo) film, tantalum (Ta) film, niobium (Nb) film, Needless to say, a highly reliable and highly sensitive gas sensor can be formed by using the same technique as described in the first embodiment even when a chromium (Cr) or nickel (Ni) film is used.

(実施の形態2)
本実施の形態2では、図2Cと図2Dに示す抵抗支配的構造に対する実施例を開示する。実施の形態2のゲート部分の作成方法は実施の形態1の開示の中で説明しているので、本実施の形態2におけるSi−MOS型構造上に作製したガスセンサの製造方法について説明する。前記実施の形態1と本実施の形態2に共通する部分については、詳しく言及せず、本実施の形態2に直接関係する部分を中心に説明する。本実施の形態2では、前記実施の形態1と同様に、ゲート構造はゲート長(Lg)が20μmでゲート幅(Wg)が3000μmのゲート電極でMOS構造上につづれ折り構造で形成している。以下にこの製造方法について図8(a)〜図8(c)を参照しながら説明する。図8(a)〜図8(c)中に記載されている符号のうち図7(a)図および7(b)と同じ符号は、同じ構成要素を示している。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example of the resistance dominant structure shown in FIGS. 2C and 2D will be disclosed. Since the method for creating the gate portion of the second embodiment has been described in the disclosure of the first embodiment, the method for manufacturing the gas sensor manufactured on the Si-MOS type structure in the second embodiment will be described. The portions common to the first embodiment and the second embodiment will not be described in detail, and the portions directly related to the second embodiment will be mainly described. In the second embodiment, as in the first embodiment, the gate structure is formed in a folded structure on the MOS structure with a gate electrode having a gate length (Lg) of 20 μm and a gate width (Wg) of 3000 μm. . This manufacturing method will be described below with reference to FIGS. 8 (a) to 8 (c). Among the reference numerals described in FIGS. 8A to 8C, the same reference numerals as those in FIGS. 7A and 7B indicate the same components.

まず、図8(a)において、半導体基板28(ウェハ)に対して前処理を実施した後、半導体基板28の表面に膜厚が124nmの絶縁膜26aを形成する。この絶縁膜26aは、例えば、酸化シリコン膜から形成され、酸素雰囲気中の熱酸化法により形成することができる。その後、電子ビーム照射によるEB蒸着法により、半導体基板28の全面上に錫膜とプラチナ膜からなる積層膜20aを形成する。このとき、錫(Sn)膜の膜厚は5nmであり、プラチナ膜の膜厚は3nmである。そして、チタン膜とプラチナ膜の成膜速度は、1Å/sである。   First, in FIG. 8A, after the pretreatment is performed on the semiconductor substrate 28 (wafer), an insulating film 26a having a film thickness of 124 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 28. The insulating film 26a is formed of, for example, a silicon oxide film and can be formed by a thermal oxidation method in an oxygen atmosphere. Thereafter, a laminated film 20a made of a tin film and a platinum film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 28 by EB vapor deposition by electron beam irradiation. At this time, the film thickness of the tin (Sn) film is 5 nm, and the film thickness of the platinum film is 3 nm. The deposition rate of the titanium film and the platinum film is 1 と / s.

次に、図8(b)に示すように、高純度空気中において、熱処理温度が500℃で、熱処理時間が60分のアニール処理を行って積層膜20aを薄膜20bに変化させる。薄膜20bは、図2Cおよび図2Dに示す構造をしている。この薄膜20bを形成する条件と同じ条件で形成したダミーのベタ膜をX線で評価すると錫膜は酸化錫に酸素を高濃度にドープしたアモルファス錫が少し混じる構造に変化していた。その後、図8(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術により、ゲート電極20bと取り出し電極(図示せず)を残す一方、イオンミリング法により、不要なプラチナと酸化錫膜を除去する。酸化錫膜は、電気伝導度が極めて低い状態の場合、表面保護膜として残しておく方法もあるが、本実施の形態2では、ゲート電極20bの形成領域以外の不要な酸化錫膜を除去している。これにより、図2Cに示すゲート構造を実現することができる。   Next, as shown in FIG. 8B, in the high-purity air, annealing is performed at a heat treatment temperature of 500 ° C. and a heat treatment time of 60 minutes to change the laminated film 20a into a thin film 20b. The thin film 20b has a structure shown in FIGS. 2C and 2D. When a dummy solid film formed under the same conditions as those for forming the thin film 20b is evaluated by X-ray, the tin film has been changed to a structure in which amorphous tin doped with oxygen at a high concentration is mixed with tin oxide. Thereafter, as shown in FIG. 8C, while leaving the gate electrode 20b and the extraction electrode (not shown) by photolithography, unnecessary platinum and tin oxide films are removed by ion milling. Although there is a method of leaving the tin oxide film as a surface protective film when the electrical conductivity is extremely low, in Embodiment 2, unnecessary tin oxide films other than the formation region of the gate electrode 20b are removed. ing. Thereby, the gate structure shown in FIG. 2C can be realized.

その後、図8(c)に示すように、ゲート電極20b上を含む半導体基板28上にPSG(リンドープガラス)からなる絶縁膜24を形成する。そして、この絶縁膜24を貫通するコンタクト孔を形成し、表面処理などの工程を経る。そして、コンタクトホール内を含む絶縁膜24上にシリコンを含有するアルミニウム(Al)膜からなる引き出し電極21aおよび引き出し電極22aを形成する。その膜厚は、例えば、500nmである。図8(c)には図示していないが、ゲート電極20bの引き出し電極やチップを加熱するヒータとして、引き出し電極21aや引き出し電極22aと同じシリコンを含有するアルミニウム膜から形成されるアルミニウム配線も形成される。このアルミニウム配線の配線幅は、例えば、20μmであり、配線長は29000μmである。   Thereafter, as shown in FIG. 8C, an insulating film 24 made of PSG (phosphorus-doped glass) is formed on the semiconductor substrate 28 including the gate electrode 20b. Then, a contact hole penetrating the insulating film 24 is formed, and a process such as surface treatment is performed. Then, an extraction electrode 21a and an extraction electrode 22a made of an aluminum (Al) film containing silicon are formed on the insulating film 24 including the inside of the contact hole. The film thickness is, for example, 500 nm. Although not shown in FIG. 8C, an aluminum wiring formed of an aluminum film containing the same silicon as the extraction electrode 21a and the extraction electrode 22a is formed as a heater for heating the extraction electrode of the gate electrode 20b and the chip. Is done. The wiring width of the aluminum wiring is, for example, 20 μm, and the wiring length is 29000 μm.

続いて、アルミニウム配線上に保護膜として機能する絶縁膜23を半導体基板28上に形成する。この絶縁膜23は、例えば、PSGを200nm形成後、窒化シリコン膜から形成され、低温プラズマCVD法によって形成することができる。絶縁膜23の膜厚は、例えば、700nmである。最後に、ボンディングワイヤと接続するために電極パッド(図示せず)上に開口部を形成し、かつ、図8(c)に示すようにセンサ部であるゲート電極20bを露出するように開口部を形成する。このようにして、本実施の形態2における抵抗支配型のガスセンサを形成することができる。具体的なガス応答例は既に、図6Bで説明している。   Subsequently, an insulating film 23 functioning as a protective film is formed on the semiconductor substrate 28 on the aluminum wiring. The insulating film 23 is formed of, for example, a silicon nitride film after forming PSG with a thickness of 200 nm, and can be formed by a low temperature plasma CVD method. The film thickness of the insulating film 23 is 700 nm, for example. Finally, an opening is formed on an electrode pad (not shown) for connection to the bonding wire, and the opening is formed so as to expose the gate electrode 20b as the sensor as shown in FIG. 8C. Form. In this way, the resistance-dominated gas sensor according to the second embodiment can be formed. A specific gas response example has already been described with reference to FIG. 6B.

なお、前記実施の形態1の変形例と同様に、配線をMo/Au/Moによる積層構造から形成するガスセンサも形成している。   As in the modification of the first embodiment, a gas sensor is also formed in which the wiring is formed from a laminated structure of Mo / Au / Mo.

本実施の形態2では、絶縁膜26に酸化シリコン膜を使用しているが、この酸化シリコン膜上に酸化タンタル(Ta)膜、酸化アルミニウム(Al)膜や窒化シリコン(Si)膜などの絶縁膜を形成してもよいことは、前記実施の形態1と同様である。
図6Bの結果からも、実施形態2は低濃度領域の水素ガスセンサとして適用できる。
In the second embodiment, a silicon oxide film is used for the insulating film 26. On this silicon oxide film, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, or a silicon nitride ( As in the first embodiment, an insulating film such as a Si 3 N 4 film may be formed.
Also from the result of FIG. 6B, Embodiment 2 can be applied as a hydrogen gas sensor in a low concentration region.

(実施の形態3)
次に、本実施の形態3における高濃度領域1%程度から数10%程度の高濃度に適用できる水素ガスセンサの構成について説明する。図9は、本実施の形態3における水素ガスセンサを形成している半導体チップの光学顕微鏡写真である。図9に示すように、2mm×2mmの半導体チップ(シリコンチップ)CHP上には、センサFET60、参照FET61、金属配線からなるヒータ63およびチップ温度を計測するためのPN接合ダイオード62が形成されている。この場合配線幅30μmであり、配線長19000μmの配線ヒータである。センサFET60および参照FET61は、前記実施の形態1で説明したSi−MOSFETを使用している。このセンサFET60および参照FET61の構成を前記実施の形態1との基本的に相違する構成を主として説明する。
(Embodiment 3)
Next, a configuration of a hydrogen gas sensor applicable to a high concentration of about 1% to several tens of percent in the high concentration region in the third embodiment will be described. FIG. 9 is an optical micrograph of the semiconductor chip forming the hydrogen gas sensor according to the third embodiment. As shown in FIG. 9, a sensor FET 60, a reference FET 61, a heater 63 made of metal wiring, and a PN junction diode 62 for measuring the chip temperature are formed on a 2 mm × 2 mm semiconductor chip (silicon chip) CHP. Yes. In this case, the wiring heater has a wiring width of 30 μm and a wiring length of 19000 μm. The sensor FET 60 and the reference FET 61 use the Si-MOSFET described in the first embodiment. The configurations of the sensor FET 60 and the reference FET 61 that are basically different from those of the first embodiment will be mainly described.

本実施の形態3における水素ガスセンサは、Pt−Ti−OゲートMOS型水素センサの改良で達成できる。即ち、Pt(15nm)/Ti(5nm)/SiO(18nm)/Si積層膜MOS構造の代わりに、Pt層膜を30nmから45nmと厚くし、400℃2時間から120時間程度空気中でアニールし、115℃から350℃で1000ppmから1%空気希釈水素ガスでアニール処理をすることで、下限を水素濃度1000ppm、水素濃度の上限を70−90%とする長期信頼性に耐える水素センサを実現できた。その構造的理由は図1Bに示すゲート構造で、プラチナ粒界77が長くなり、チタンと酸素が凝集した水素回廊77aを形成するためには空気中アニール時間が長くなったが、基本的には図1Bに示す構造が実現し、原子サイズの小さい水素原子においても水素回廊77aを通過するのが難しくなりセンシング応答濃度が、高濃度側に大きくシフトした。 The hydrogen gas sensor according to the third embodiment can be achieved by improving the Pt—Ti—O gate MOS type hydrogen sensor. That is, instead of the Pt (15 nm) / Ti (5 nm) / SiO 2 (18 nm) / Si stacked film MOS structure, the Pt layer film is made thicker from 30 nm to 45 nm and annealed in the air at 400 ° C. for 2 hours to 120 hours. In addition, by annealing with 115% to 350 ° C and 1000ppm to 1% air diluted hydrogen gas, a hydrogen sensor that can withstand long-term reliability with a lower limit of hydrogen concentration of 1000ppm and an upper limit of hydrogen concentration of 70-90% is realized. did it. The structural reason is that the gate structure shown in FIG. 1B has a longer platinum grain boundary 77 and a longer air annealing time in order to form a hydrogen corridor 77a in which titanium and oxygen are aggregated. The structure shown in FIG. 1B is realized, and it becomes difficult for hydrogen atoms having a small atomic size to pass through the hydrogen corridor 77a, and the sensing response concentration is greatly shifted to the high concentration side.

本実施の形態3における水素ガスセンサは、半導体チップに2種類のFET(センサFET60と参照FET61)とPN接合ダイオード62を集積させるので、これらのデバイス間を分離する素子間分離が必要である。本実施の形態3では互いに素子を分離するために、最も良く知られているPN接合分離技術を用いている。図10(a)にはn型半導体基板上に形成されたセンサFET60の断面構造が示されており、図10(b)には、n型半導体基板上に形成された参照FET61の断面構造が示されている。図10(a)〜図10(b)中に記載されている符号のうち図7(a)と同じ符号は、同じ構成要素を示している。   In the hydrogen gas sensor according to the third embodiment, since two types of FETs (sensor FET 60 and reference FET 61) and PN junction diode 62 are integrated on a semiconductor chip, element separation is required to separate these devices. In the third embodiment, the most well-known PN junction isolation technique is used to isolate elements from each other. FIG. 10A shows a cross-sectional structure of the sensor FET 60 formed on the n-type semiconductor substrate, and FIG. 10B shows a cross-sectional structure of the reference FET 61 formed on the n-type semiconductor substrate. It is shown. Of the reference numerals shown in FIGS. 10A to 10B, the same reference numerals as those in FIG. 7A indicate the same components.

図10(a)に示すように、センサFET60には、n型半導体基板43中にセンサFETの形成領域を定義するp型ウェル42が形成されている。このp型ウェル42は、例えば、イオン注入法により形成されたp型半導体領域から構成される。この場合、p型ウェル42の電位を固定するため、n型半導体基板43にp型半導体領域441が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、ソース電極21やドレイン電極22と同じくアルミニウム膜から形成されたp型ウェル電極44をp型半導体領域41に接続するように形成している。同様にn型半導体基板43の電位を固定するため、半導体基板43にn型半導体領域45が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、アルミニウム膜から形成された基板電極29をn型半導体領域45に接続するように形成している。 As shown in FIG. 10A, in the sensor FET 60, a p-type well 42 that defines a formation region of the sensor FET is formed in an n-type semiconductor substrate 43. The p-type well 42 is composed of, for example, a p-type semiconductor region formed by ion implantation. In this case, in order to fix the potential of the p-type well 42, a p + -type semiconductor region 441 is formed in the n-type semiconductor substrate 43 by, for example, an ion implantation method. Then, like the source electrode 21 and the drain electrode 22, a p-type well electrode 44 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the p + -type semiconductor region 41. Similarly, in order to fix the potential of the n-type semiconductor substrate 43, an n + -type semiconductor region 45 is formed in the semiconductor substrate 43 by, for example, an ion implantation method. Then, the substrate electrode 29 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the n + type semiconductor region 45.

図10(b)に示すように、参照FET61にも、n型半導体基板43中に参照FETの形成領域を定義するp型ウェル42が形成されている。このp型ウェル42は、例えば、イオン注入法により形成されたp型半導体領域から構成される。この場合、p型ウェル42の電位を固定するため、n型半導体基板43にp型半導体領域41が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、ソース電極21やドレイン電極22と同じくアルミニウム膜から形成されたp型ウェル電極44をp型半導体領域441に接続するように形成している。同様にn型半導体基板43の電位を固定するため、半導体基板43aにn型半導体領域45が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、アルミニウム膜から形成された基板電極29をn型半導体領域45に接続するように形成している。 As shown in FIG. 10B, the reference FET 61 also has a p-type well 42 that defines a reference FET formation region in the n-type semiconductor substrate 43. The p-type well 42 is composed of, for example, a p-type semiconductor region formed by ion implantation. In this case, in order to fix the potential of the p-type well 42, the p + -type semiconductor region 41 is formed in the n-type semiconductor substrate 43 by, for example, an ion implantation method. Then, like the source electrode 21 and the drain electrode 22, a p-type well electrode 44 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the p + -type semiconductor region 441. Similarly, in order to fix the potential of the n-type semiconductor substrate 43, an n + -type semiconductor region 45 is formed in the semiconductor substrate 43a by, for example, an ion implantation method. Then, the substrate electrode 29 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the n + type semiconductor region 45.

このように構成されたセンサFET60と参照FET61との相違する点は、センサFET60では、ゲート電極20が絶縁膜23から露出しているのに対し、参照FET61では、ゲート電極20が絶縁膜23に覆われている点である。この相違は、センサFET60では、水素ガスと接触させる必要があるのに対し、参照FET61は水素ガスと接触させないように構成するためである。   The difference between the sensor FET 60 and the reference FET 61 configured as described above is that, in the sensor FET 60, the gate electrode 20 is exposed from the insulating film 23, whereas in the reference FET 61, the gate electrode 20 is formed on the insulating film 23. It is a covered point. This difference is because the sensor FET 60 needs to be in contact with hydrogen gas, while the reference FET 61 is configured not to be in contact with hydrogen gas.

PN接合ダイオード(図示せず)の断面図は省略されているが、接合面積は60μm×200μmである。ダイオード特性である順方向バイアスの立ち上がり電圧Vf=0.3Vで10μAの電流が流れる状態がチップ温度100℃に対応することを温度校正条件から見出している。   Although a sectional view of a PN junction diode (not shown) is omitted, the junction area is 60 μm × 200 μm. It has been found from the temperature calibration condition that a state in which a current of 10 μA flows at a forward bias rising voltage Vf = 0.3 V, which is a diode characteristic, corresponds to a chip temperature of 100 ° C.

本実施の形態3における水素ガスセンサの配線は、例えば、Mo/Au/Mo構造を採用している。同様に、ヒータの配線とソース電極21およびドレイン電極22もMo/Au/Mo構造を採用している。一方、ヒータの配線とソース電極21およびドレイン電極22は前記実施の形態1で使用しているアルミニウム配線を使用する試作品も製作している。本実施の形態3では、このような2種類の配線材料を使用して信頼性試験を行なっている。この結果、高温熱加速試験や高温高湿試験では、金配線の方がアルミニウム配線に比べて長い寿命である一方、製造コストは高くつくので、適用製品で使い分ける必要がある。   The wiring of the hydrogen gas sensor according to the third embodiment employs, for example, a Mo / Au / Mo structure. Similarly, the wiring of the heater, the source electrode 21 and the drain electrode 22 also adopt a Mo / Au / Mo structure. On the other hand, the heater wiring, the source electrode 21 and the drain electrode 22 are also manufactured as a prototype using the aluminum wiring used in the first embodiment. In the third embodiment, the reliability test is performed using such two kinds of wiring materials. As a result, in the high-temperature thermal acceleration test and the high-temperature and high-humidity test, the gold wiring has a longer life than the aluminum wiring, but the manufacturing cost is high.

ここで、ゲート電極を形成した後、絶縁膜24上に配線を形成し、配線を覆う半導体基板の全面に絶縁膜(PSG)膜と絶縁膜(窒化シリコン膜)23を形成する。その後、センサFET60の形成領域では、プラチナ膜からなるゲート電極20(センサ感応部)上の絶縁膜23とを除去してセンサFET60を形成している。一方、参照FETの形成領域では、プラチナ膜からなるゲート電極20上の絶縁膜23とを除去せずに残存させている。このように構成することで、センサFET60と参照FET61の両者は、ほぼ同じしきい値電圧Vth=1.02Vを実現している。   Here, after forming the gate electrode, a wiring is formed on the insulating film 24, and an insulating film (PSG) film and an insulating film (silicon nitride film) 23 are formed on the entire surface of the semiconductor substrate covering the wiring. Thereafter, in the formation region of the sensor FET 60, the sensor FET 60 is formed by removing the insulating film 23 on the gate electrode 20 (sensor sensitive portion) made of a platinum film. On the other hand, in the formation region of the reference FET, the insulating film 23 on the gate electrode 20 made of a platinum film is left without being removed. With this configuration, both the sensor FET 60 and the reference FET 61 realize substantially the same threshold voltage Vth = 1.02V.

センサFET60だけを単独で形成するのであれば、高純度空気中において、アニール温度が400℃でアニール時間が2時間から120時間であるアニール処理は、ガスセンサの製造工程の途中で行わなくてもよく、ガスセンサの製造工程が完了した時点で行うこともできる。このアニール処理(熱処理)により、熱処理前にはチタンの仕事関数がVthの支配的要因であったものが、プラチナの仕事関数がVthの支配的要因に変わるので、しきい値電圧Vthは1.2V近く浅くなる。   If only the sensor FET 60 is formed alone, the annealing process in which the annealing temperature is 400 ° C. and the annealing time is 2 to 120 hours in high-purity air may not be performed during the gas sensor manufacturing process. It can also be performed when the gas sensor manufacturing process is completed. By this annealing treatment (heat treatment), the work function of titanium before the heat treatment is the dominant factor of Vth, but the work function of platinum is changed to the dominant factor of Vth. It becomes shallow near 2V.

しかし、参照FET61も同時に半導体チップCHPに集積化して、センサFET60としきい値電圧Vthを揃えようとすると、参照FET61のゲート電極20を保護する絶縁膜24と絶縁膜23が酸素を通さないので、参照FET61のしきい値電圧Vthは元のチタンの仕事関数がしきい値電圧Vthの支配的要因のままである。   However, if the reference FET 61 is also integrated on the semiconductor chip CHP at the same time and the threshold voltage Vth is made uniform with the sensor FET 60, the insulating film 24 and the insulating film 23 that protect the gate electrode 20 of the reference FET 61 do not pass oxygen. As for the threshold voltage Vth of the reference FET 61, the work function of the original titanium remains the dominant factor of the threshold voltage Vth.

(実施の形態4)
前記実施の形態1〜前記実施の形態4では、MOS構造のガスセンサに適用する例について説明したが、MIS型キャパシタやショットキーダイオードを用いても本発明を実現できる。特に、MIS型キャパシタは前記実施の形態1で説明した図7(a)において、ゲート電極20の平面形状をたとえば直径50μm〜100μmの円形形状にし、ソース電極21およびドレイン電極22は、ゲート電極20を同心円状に囲む形状とすることができる。このMIS型キャパシタでは、例えばフラットバンド状態での電圧をしきい値電圧Vthと定義して、ガスの応答を測定できる。MIS型キャパシタでは、ゲート電極20が上部電極として機能し、ゲート電極直下の半導体基基板28が下部電極として機能する。そして、この半導体基板28は電気的にソース電極21とドレイン電極20と接続されるように構成することにより、下部電極の引き出し電極がソース電極21およびドレイン電極22となる。
(Embodiment 4)
In the first to fourth embodiments, the example applied to the gas sensor of the MOS structure has been described. However, the present invention can also be realized using a MIS type capacitor or a Schottky diode. In particular, in the MIS type capacitor in FIG. 7A described in the first embodiment, the planar shape of the gate electrode 20 is, for example, a circular shape having a diameter of 50 μm to 100 μm, and the source electrode 21 and the drain electrode 22 Can be concentrically enclosed. In this MIS capacitor, for example, a voltage in a flat band state is defined as a threshold voltage Vth, and a gas response can be measured. In the MIS capacitor, the gate electrode 20 functions as an upper electrode, and the semiconductor substrate 28 immediately below the gate electrode functions as a lower electrode. The semiconductor substrate 28 is configured to be electrically connected to the source electrode 21 and the drain electrode 20, so that the extraction electrode of the lower electrode becomes the source electrode 21 and the drain electrode 22.

さらに、ゲート電極20と半導体基板28との間のゲート絶縁膜25が容量絶縁膜として機能する。このように構成されたMIS型キャパシタによれば、アンモニアガス、COガス、メタンガス、水素ガス、NOガス更にはNOガスの有無によって半導体基板28の表面に形成されるチャネル領域が形成されたり消滅する(水素ガスによってしきい値電圧Vthが変化することに対応する)ことを利用するものである。つまり、半導体基板28に形成されるチャネル領域の有無によってMIS型キャパシタの電気容量が変化するので、この電気容量の変化を検出することで間接的にガスの存在を検知することができるのである。 Further, the gate insulating film 25 between the gate electrode 20 and the semiconductor substrate 28 functions as a capacitive insulating film. According to the MIS type capacitor configured as described above, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate 28 is formed or disappears depending on the presence or absence of ammonia gas, CO gas, methane gas, hydrogen gas, NO gas, or even NO 2 gas. (Corresponding to the threshold voltage Vth being changed by hydrogen gas). That is, since the electric capacity of the MIS capacitor changes depending on the presence or absence of the channel region formed in the semiconductor substrate 28, the presence of gas can be indirectly detected by detecting the change in electric capacity.

これまでの例(実施の形態1〜3)は、Si−MOS構造に適用したアンモニアガス、COガス、メタンガス、水素ガス、NOガス更にはNOガス等のセンサについて適用した例を示しているが、例えば、炭化シリコン(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)などの他の半導体材料を用いた素子でも本発明を適用することができる、例えば、このような半導体材料を用いたMIS型FET、MIS型キャパシタ、ショットキーゲートのFET、PN接合ゲートのFETについても適用することができる。
(実施の形態5)
本実施の形態5は、第7の課題を解決するための手段に関するものである。
まず、第7の課題を解決するための手段について説明する。
本実施形態は、実施形態1と実施形態2での低電力化とセンサ領域と周辺部分の断熱特性に関わる実施形態の実例である。
The previous examples (Embodiments 1 to 3) show examples applied to sensors such as ammonia gas, CO gas, methane gas, hydrogen gas, NO gas, and further NO 2 gas applied to the Si-MOS structure. However, the present invention can also be applied to devices using other semiconductor materials such as silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), and gallium nitride (GaN). For example, such a semiconductor material is used. The present invention can also be applied to MIS type FETs, MIS type capacitors, Schottky gate FETs, and PN junction gate FETs.
(Embodiment 5)
The fifth embodiment relates to a means for solving the seventh problem.
First, means for solving the seventh problem will be described.
The present embodiment is an example of an embodiment related to the reduction in power and the heat insulation characteristics of the sensor region and the peripheral portion in the first and second embodiments.

Si−MOSFET型ガスセンサの低消費電力化は、ヒータ領域の表面積を小さくしてヒータ領域の表面からの熱放散を小さくし、ヒータ領域の熱拡散を以下に説明するMEMS構造にすることによって断熱化することにより実現することができる。本実施の形態5による課題(低消費電力化と周囲との断熱化)を解決するための基本的なコンセプトは、以下の通りである。   Low power consumption of the Si-MOSFET type gas sensor is achieved by reducing the surface area of the heater region to reduce heat dissipation from the surface of the heater region, and making the heat diffusion of the heater region a MEMS structure described below. This can be realized. The basic concept for solving the problem (reduction in power consumption and insulation from the surroundings) according to the fifth embodiment is as follows.

Si−MOSFETの動作温度の上限は、センサ動作温度150℃程度であり、周辺部分の断熱特性が十分か、MOS構造抵抗支配型センサの動作温度の下限としてセンサ動作温度215℃での消費電力がどの程度下げられるのかに注目して実施形態1のガスセンサをMEMS型ガスセンサに適用した。抵抗支配型でも熱設計は、ほぼ同じなので、実施形態1のガスセンサで代用した。
(1)センサチップ全体を100〜150℃に加熱すると熱効率が悪く、熱容量が大きくなりすぎるので、真性FET領域の熱容量を従来の1/1000以下にすることによって、昇温速度を低消費電力でも数10m秒以下にする。
(2)ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流出を少なくするため、ソース電極とゲート電極およびドレイン電極とゲート電極との間隙部分にそれぞれヒータ配線を挿入する構造とすることによって、ヒータ領域の表面積を小さく、例えば300μm×300μm以下とする。
(3)センサ用FETの寄生抵抗を僅かに増加させるのみで、真性FET領域からパッド電極までの取り出し配線の熱抵抗を大きく取る。
(4)実装リード線からの熱流出を防ぐため、実装リード線を4本とし、実装リード線の直径を8〜25μmとし、長さを3〜12mm程度とする。
(5)センサチップと実装基板(ステム台座)との間に挿入した断熱材を通じての熱流出を防ぐために、熱伝導率の極めて低い泡ガラス断熱材を用いる。
(6)上記(1)〜(5)により、3V電圧の電池動作の場合、25〜0.3mW程度の低消費電力のガスセンサを実現する。
The upper limit of the operating temperature of the Si-MOSFET is about 150 ° C., and the heat insulating property of the peripheral portion is sufficient. The power consumption at the sensor operating temperature of 215 ° C. is the lower limit of the operating temperature of the MOS structure resistance-dominated sensor. Focusing on how much it can be lowered, the gas sensor of Embodiment 1 was applied to a MEMS gas sensor. Since the thermal design is almost the same for the resistance-dominated type, the gas sensor of Embodiment 1 was used instead.
(1) When the entire sensor chip is heated to 100 to 150 ° C., the thermal efficiency is poor and the heat capacity becomes too large. By reducing the heat capacity of the intrinsic FET region to 1/1000 or less of the conventional one, even with a low rate of temperature increase Set it to several tens of milliseconds or less.
(2) In order to reduce the heat outflow from the surface of the heater region into the atmospheric gas, the heater region is formed by inserting the heater wiring into the gap portions between the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode and the gate electrode, respectively. The surface area is made small, for example, 300 μm × 300 μm or less.
(3) The thermal resistance of the lead-out wiring from the intrinsic FET region to the pad electrode is increased by only slightly increasing the parasitic resistance of the sensor FET.
(4) In order to prevent heat leakage from the mounting lead wire, the number of mounting lead wires is four, the diameter of the mounting lead wire is 8-25 μm, and the length is about 3-12 mm.
(5) In order to prevent heat outflow through the heat insulating material inserted between the sensor chip and the mounting substrate (stem base), a foam glass heat insulating material having extremely low thermal conductivity is used.
(6) According to the above (1) to (5), in the case of 3V voltage battery operation, a low power consumption gas sensor of about 25 to 0.3 mW is realized.

Si−MISFET型ガスセンサの場合、所定の温度に保つ必要性があるのは、センサ用FETのチャネルを制御する触媒金属ゲートの部分だけである。ヒータ配線の抵抗の温度特性が分かれば、センサチップの温度を計測することができるので、温度計としてヒータ配線の抵抗値を使うことができる。   In the case of the Si-MISFET type gas sensor, only the portion of the catalytic metal gate that controls the channel of the sensor FET needs to be maintained at a predetermined temperature. Since the temperature of the sensor chip can be measured if the temperature characteristic of the resistance of the heater wiring is known, the resistance value of the heater wiring can be used as a thermometer.

従って、センサチップ内にはチップ温度を計測するためのPN接合ダイオードは必ずしも必要ないので、PN接合ダイオードを削除することにより、センサチップの面積を小さくすることができる。センサ用FETのみをチップ化することによって、センサチップの面積を小さくでき、センサ用FETの触媒金属ゲートのみを加熱すればよいので、熱源(ヒータ配線)の面積を小さくできる。これにより、低電力化が可能になる。   Therefore, since a PN junction diode for measuring the chip temperature is not necessarily required in the sensor chip, the area of the sensor chip can be reduced by removing the PN junction diode. By making only the sensor FET into a chip, the area of the sensor chip can be reduced and only the catalytic metal gate of the sensor FET needs to be heated, so that the area of the heat source (heater wiring) can be reduced. Thereby, low power can be achieved.

さらに実装リード線を、例えば4本に減らせるので、実装リード線からの熱の流出を防ぐことができる。センサ用FETの触媒金属ゲートの温度は、150〜215℃の所定の温度に保持できればよく、典型的なガスセンサの動作温度400℃に比べて低温となる。   Furthermore, since the number of mounting lead wires can be reduced to, for example, four, the outflow of heat from the mounting lead wires can be prevented. The temperature of the catalyst metal gate of the sensor FET is only required to be maintained at a predetermined temperature of 150 to 215 ° C., and is lower than the operating temperature of 400 ° C. of a typical gas sensor.

これらを考慮して、本実施の形態5では、まず、SOI基板を採用し、SOI基板のセンサ用FET部分のSi基板を埋め込み絶縁層に達するまでくり貫き(MEMS領域)、ソース電極と触媒金属ゲートとの間隙およびドレイン電極と触媒金属ゲートとの間隙に折り曲げ状のヒータ配線を配置(ヒータ領域)する。これにより、センサ用FET全体を加熱する他のヒータ配置の加熱構造に比べてヒータ領域が小さくなるので、ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流量を少なくすることができ、また、ヒータ領域に触媒金属ゲートを配置することで製造プロセスが簡便になる。   In consideration of these, in the fifth embodiment, first, an SOI substrate is employed, and the Si substrate of the SOI substrate for the sensor FET is penetrated until reaching the buried insulating layer (MEMS region), and the source electrode and the catalyst metal Bending heater wiring is arranged (heater region) in the gap between the gate and the gap between the drain electrode and the catalytic metal gate. As a result, the heater area is smaller than the heating structure of other heater arrangements that heat the entire sensor FET, so the heat flow from the surface of the heater area to the ambient gas can be reduced, and the heater area The manufacturing process is simplified by disposing a catalytic metal gate on the substrate.

以下、センサ用FETの触媒金属ゲート、ソース電極、およびドレイン電極、ならびに上記ヒータ領域を含む領域を真性FET領域と言う。     Hereinafter, the region including the catalytic metal gate, the source electrode, the drain electrode, and the heater region of the sensor FET is referred to as an intrinsic FET region.

さらに、MEMS領域に真性FET領域が重ならない領域を形成し、この領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗を大きくする構造にすることで、ヒータ配線で加熱されたヒータ領域の熱が周囲に逃げない構造(熱的に絶縁、断熱構造)にする。さらに、熱抵抗の高い断熱材上にセンサチップを設置し、実装リード線までの取り出し配線の熱抵抗がセンサ用FETまたはヒータ配線ヘの電気抵抗へ及ぼす影響を大きくすることがないように取り出し配線を配置し、実装リード線の熱抵抗を大きくし、ヒータ領域から実装基板(ステム台座)への熱拡散を断熱構造にする。これにより、25〜0.3mWの低消費電力センサを実現する。   Furthermore, by forming a region in which the intrinsic FET region does not overlap with the MEMS region and increasing the thermal resistance of the insulating thin film that covers this region, the heat of the heater region heated by the heater wiring does not escape to the surroundings (Thermally insulated, heat insulation structure). In addition, a sensor chip is installed on a heat insulating material with high thermal resistance so that the influence of the thermal resistance of the extraction wiring to the mounting lead wire on the electrical resistance of the sensor FET or heater wiring is not increased. The thermal resistance of the mounting lead wire is increased, and the heat diffusion from the heater region to the mounting substrate (stem base) is made into a heat insulating structure. Thereby, a low power consumption sensor of 25 to 0.3 mW is realized.

さらに、MEMS領域に真性FET領域が重ならない領域を形成し、この領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗をさらに上げるため、絶縁薄膜にいくつかの貫通孔を形成する。これにより、さらに低消費電力化が可能になる。   Further, a region where the intrinsic FET region does not overlap with the MEMS region is formed, and some through holes are formed in the insulating thin film in order to further increase the thermal resistance of the insulating thin film covering this region. Thereby, the power consumption can be further reduced.

なおMEMS領域が大きくなりすぎるとMEMS領域の機械的強度が弱くなり長期信頼性がなくなる。そこで、真性FET領域とMEMS領域とが重ならない領域に絶縁薄膜を残した補強領域に加えて、ヒータ配線の取り出し配線、ならびにセンサ用FETのソース電極、ドレイン電極および触媒金属ゲートの取り出し配線を用いて真性FET領域とMEMS領域の外側とを繋ぐことで、MEMS領域の機械的強度劣化を防ぐことができる。   If the MEMS region becomes too large, the mechanical strength of the MEMS region becomes weak and long-term reliability is lost. Therefore, in addition to the reinforcing region where the insulating thin film is left in the region where the intrinsic FET region and the MEMS region do not overlap, the heater wiring extraction wiring and the sensor FET source electrode, drain electrode, and catalytic metal gate extraction wiring are used. By connecting the intrinsic FET region and the outside of the MEMS region, mechanical strength deterioration of the MEMS region can be prevented.

さらに、これらの取り出し配線で真性FET領域とMEMS領域の外側とを繋いだ領域(以下、ブリッジ領域と言う)の熱抵抗を、真性FET領域とMEMS領域とが重ならない領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗と同等以下にすることで、ヒータ領域の熱が周囲に逃げない構造(熱的に絶縁、断熱構造)を実現する。   Furthermore, the thermal resistance of the region connecting the intrinsic FET region and the outside of the MEMS region (hereinafter referred to as the bridge region) with these lead-out wirings is the heat of the insulating thin film that covers the region where the intrinsic FET region and the MEMS region do not overlap. By making the resistance equal to or less than the resistance, a structure (thermally insulating, heat insulating structure) in which the heat in the heater region does not escape to the surroundings is realized.

本実施の形態5では、真性FET領域とMEMS領域の最も近い距離が全てのブリッジ領域の幅とすべての補強領域の幅の和に比べて1倍から20倍に形成されている。   In the fifth embodiment, the closest distance between the intrinsic FET region and the MEMS region is formed to be 1 to 20 times the sum of the widths of all the bridge regions and the widths of all the reinforcing regions.

以下に、課題を解決する手段を実現するためのセンサチップの構成条件および動作条件をまとめる。   The configuration conditions and operation conditions of the sensor chip for realizing the means for solving the problems are summarized below.

ステム部分の温度は環境温度をTeと一致すると考え、ヒータ表面からの熱放散には空気の対流効果は無視している。系の全熱抵抗Rthは下記の通りである。ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流失に伴う熱抵抗をR、ヒータからMEMS下空気、断熱材、ステムにいたる熱抵抗経路(熱抵抗R)、ヒータからMEMS領域縁までの経路(熱抵抗R)、MEMS領域縁からSi基板を通り断熱材、ステムにいたる経路(熱抵抗Rs)とSi結晶表面やリード線、ピン電極、ステムにいたる経路(熱抵抗R)、の3個に大別できる。
ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流失に伴う熱抵抗をRとする。そして、ヒータ領域の表面積と同じ面積の円の半径をrとし、ヒータ配線の温度における空気の熱伝導率をλとすると、半径rの円状加熱体からの熱抵抗1/(4πλ・r)を用いて熱抵抗Rを近似することができる。また、熱抵抗Rsと熱抵抗Rまた、は並列に配され、熱抵抗Rと直列に排されるので、ステム部分の温度は環境温度をTeと一致すると考え、ヒータ表面からの熱放散には空気の対流効果は無視している。系の全熱抵抗Rthは上記3通りの並列回路になり、
1/Rth=1/R+1/R+1/R 式(2)
=R(air)+R (断熱材) 式(2−1)
=R+R・R/(R+R) 式(2−2)
=1/(4πλr) 式(2−3)
と表される。
(air)はMEMS領域下の空気部分の熱抵抗、R(断熱材)はMEMS領域下の断熱材の熱抵抗。RsはシリコンチップのMEMS領域以外のステムまでの熱抵抗で、実効的にはMEMS領域以外の断熱材の熱抵抗である。
The temperature of the stem portion is considered to match the environmental temperature with Te, and the convection effect of air is ignored for heat dissipation from the heater surface. The total thermal resistance Rth of the system is as follows. The thermal resistance due to heat loss from the surface of the heater region to the atmosphere gas is R A , the thermal resistance path from the heater to the MEMS lower air, the heat insulating material, and the stem (thermal resistance R D ), and the path from the heater to the edge of the MEMS region (Thermal resistance R M ), path from the MEMS region edge through the Si substrate to the heat insulating material, stem (thermal resistance Rs) and the path to the Si crystal surface, lead wire, pin electrode, stem (thermal resistance R L ), It can be roughly divided into three.
Let RA be the thermal resistance associated with heat loss from the surface of the heater region into the ambient gas. Then, the radius of the circle having the same area as the surface area of the heater area are r A, the thermal conductivity of air at a temperature of the heater wire and lambda, thermal resistance from the circular heating element of radius r A 1 / (4πλ · r A ) can be used to approximate the thermal resistance R A. Furthermore, the thermal resistance Rs and the thermal resistance R L also is arranged in parallel, because they are discharged to the thermal resistance R M series, considered the temperature of the stem portion matches the environmental temperature and Te, the heat dissipation from the heater surface The air convection effect is ignored. The total thermal resistance Rth of the system is the above three parallel circuits,
1 / Rth = 1 / R D + 1 / R P + 1 / R A Formula (2)
R D = R D (air) + R D (heat insulating material) Formula (2-1)
R P = R M + R S · R L / (R S + R L ) Formula (2-2)
R A = 1 / (4πλr A ) Formula (2-3)
It is expressed.
R D (air) is the thermal resistance of the air portion under the MEMS region, and R D (insulating material) is the thermal resistance of the insulating material under the MEMS region. Rs is a thermal resistance to a stem other than the MEMS region of the silicon chip, and is effectively a thermal resistance of a heat insulating material other than the MEMS region.

従って、ヒータ領域の設定温度Tsとガスセンサの設置環境想定最低温度Teminとの温度差をΔTmax(=Ts−Temin)とし、設定温度Tsでのヒータ配線の電気抵抗R(Ts)と使用する電源電圧Vddとで決まるヒータ配線へ投入するヒータ最大電力をPowmaxとすると、ヒータ最大電力Powmaxが25mW以下で、
Powmax/ΔTmax>1/R+1/R+4πλ・r 式(3)
を満足するように熱抵抗R、Rおよびヒータ領域の表面積を設定することが必要条件となる。
Accordingly, the temperature difference between the set temperature Ts of the heater region and the estimated minimum temperature Temin of the gas sensor is ΔTmax (= Ts−Temin), and the electric resistance R (Ts) of the heater wiring at the set temperature Ts and the power supply voltage to be used If the heater maximum power to be input to the heater wiring determined by Vdd is Powmax, the heater maximum power Powmax is 25 mW or less,
Powmax / ΔTmax> 1 / R D + 1 / R P + 4πλ · r A formula (3)
It is necessary to set the thermal resistances R D and R P and the surface area of the heater region so as to satisfy the above.

水素ガスセンサの設置環境想定最低温度Teminは−65℃程度であり、ヒータ領域の設定温度Tsは、Si−MISFET型ガスセンサの場合には、最高限度のチップ温度である150℃での動作の場合、ほぼこの動作温度15℃と考えてよい。従って、この場合、温度差ΔTmaxは215℃(=Ts−Temin)となる。   The assumed minimum temperature Temin of the installation environment of the hydrogen gas sensor is about −65 ° C., and the set temperature Ts of the heater region is, in the case of an operation at 150 ° C. which is the maximum chip temperature in the case of the Si-MISFET type gas sensor, It can be considered that the operating temperature is about 15 ° C. Therefore, in this case, the temperature difference ΔTmax is 215 ° C. (= Ts−Temin).

さらに、このようなMEMS構造にすれば、ヒータ領域の熱容量を3桁以上も減少させることができるので、温度の上昇速度や下降速度などの到達時間t0を小さくすることができる。従って、ヒータ配線の間歇動作には好適であり、duty比(τ/(τ+τ))を、例えば後述するように1/14程度まで小さくできるので、連続動作に比べて実効的に消費電力を1桁以上低減することができる。実用的には可燃性ガスの場合、duty比は1/14から1.0の範囲である。 Furthermore, with such a MEMS structure, the heat capacity of the heater region can be reduced by three orders of magnitude or more, so that the arrival time t0 such as the temperature rising speed and the falling speed can be reduced. Therefore, it is suitable for the intermittent operation of the heater wiring, and the duty ratio (τ 1 / (τ 1 + τ 2 )) can be reduced to, for example, about 1/14 as will be described later, which is more effective than the continuous operation. The power consumption can be reduced by one digit or more. In practice, in the case of combustible gas, the duty ratio is in the range of 1/14 to 1.0.

ヒータ最大電力Powmaxは、電源電圧Vdd(電流容量2.6Ahのリチウム電池2個で動作させるガスセンサの場合は3V)と、設定温度Tsでのヒータ配線の電気抵抗R(Ts)から決まる。実際には、ヒータ配線の電気抵抗R(Ts)を大きく設定しすぎると、ヒータ最大電力Powmaxは小さくなりすぎ、また、ガスセンサの動作温度を上げて温度差ΔTを大きくしすぎると、式(3)を満足する熱抵抗R、Rとヒータ領域の表面積との現実的な組み合わせは存在しなくなる。従って、ヒータ最大電力Powmaxが小さくなるに連れて、ガスセンサの場合、温度差ΔT=215℃、動作チップ温度150℃を実現できる構造は格段に難しくなる。 The heater maximum power Powmax is determined from the power supply voltage Vdd (3 V in the case of a gas sensor operated with two lithium batteries having a current capacity of 2.6 Ah) and the electrical resistance R (Ts) of the heater wiring at the set temperature Ts. Actually, if the electric resistance R (Ts) of the heater wiring is set too large, the maximum heater power Powmax becomes too small, and if the operating temperature of the gas sensor is raised to make the temperature difference ΔT too large, the equation (3 the thermal resistance R D that satisfies), realistic combination of the surface area of R P and the heater region ceases to exist. Therefore, as the heater maximum power Powmax decreases, in the case of a gas sensor, a structure that can realize the temperature difference ΔT = 215 ° C. and the operating chip temperature 150 ° C. becomes much more difficult.

一方、ヒータ電力Powを上げていけば、必然的に式(3)を満足する熱抵抗R、Rとヒータ領域の表面積との現実的な組み合わせは容易に存在するが、可燃性ガスセンサの場合、30秒以内の応答速度が求められているので、duty比には制限が加わる。このため、むやみにヒータ電力Powを上げることができず、ヒータ最大電力Powmaxは25mWが、以下に説明するように上限となる。本実施の形態1に係わるSi−MISFET型ガスセンサの場合、1000ppmから数%のガス濃度の領域で1秒に近い応答速度を示すので、duty比の下限としては1/14程度まで可能である。リチウム電池2個で1年間動作を保証できる連続運転の消費電力は1.78mWが上限であるので、25mW×1/14≒1.78mWであることから、リチウム電池2個で1年間動作できる消費電力の上限は25mW程度である。そのため、電池の容量と可燃性ガス検知の安全性を両立できる最大消費電力は25mW程度となる。 On the other hand, if the heater power Pow is increased, a realistic combination of the thermal resistances R D and R P and the surface area of the heater region, which inevitably satisfies the formula (3), exists easily. In this case, since the response speed within 30 seconds is required, the duty ratio is limited. For this reason, the heater power Pow cannot be increased unnecessarily, and the heater maximum power Powmax is 25 mW, which is the upper limit as described below. In the case of the Si-MISFET type gas sensor according to the first embodiment, a response speed close to 1 second is shown in a gas concentration region of 1000 ppm to several percent, so that the lower limit of the duty ratio can be up to about 1/14. The maximum power consumption of continuous operation that can guarantee operation for one year with two lithium batteries is 1.78 mW, so it is 25 mW x 1 / 14≈1.78 mW. The upper limit of power is about 25 mW. Therefore, the maximum power consumption that can achieve both the battery capacity and the safety of flammable gas detection is about 25 mW.

実際の構造では、真性FET領域とMEMS領域の外側とを結ぶブリッジ領域を流れる熱流の熱抵抗Rが存在する。熱抵抗Rが小さくなると実効的なヒータ領域が広がり、熱抵抗1/(4πλ・r)が小さくなり、式(3)を満たさなくなる。つまり電力をヒータ配線に投入してもチップ温度が設定温度Tsに達しなくなる。しかし、熱抵抗Rを真性FET領域とMEMS領域縁、またはパッド電極との間の温度差が温度差ΔTmaxの約50%以上にとれれば、ヒータ領域から周辺の薄膜または基板への熱拡散を防ぐことができる。 The actual structure, there is thermal resistance R M of the heat flow through the bridge region that connects the outer intrinsic FET region and the MEMS region. When the thermal resistance R M is reduced spreads the effective heater area, the heat resistance 1 / (4πλ · r A) is reduced, not satisfy Expression (3). That is, even if electric power is supplied to the heater wiring, the chip temperature does not reach the set temperature Ts. However, the thermal resistance R M of the intrinsic FET region and the MEMS area edge or if the temperature difference between the pad electrode Torere than about 50% of the temperature difference .DELTA.Tmax, the thermal diffusion to the periphery of the thin film or substrate from the heater region, Can be prevented.

熱抵抗R、R、rに対しては構成の自由度が高いので、25〜0.3mWの領域では、式(3)を満足させる水素ガスセンサ構造を実現することができる。 Since the degree of freedom of configuration is high with respect to the thermal resistances R D , R L , and r A , a hydrogen gas sensor structure that satisfies Equation (3) can be realized in the region of 25 to 0.3 mW.

ところで、Si−MISFET型可燃性ガスセンサに用いる触媒金属ゲートの温度を、例えば150℃に固定したまま消費電力を下げようとすると、ヒータ配線の断面積を小さくして、ヒータ抵抗を上げる必要がある。しかし、ヒータ配線を流れる電流密度が高すぎると、断線などの信頼性に問題を引き起こすので、ヒータ配線の断面積をむやみに小さくできない。そのため、抵抗率の低いAlやAuからなるヒータ配線に代えて、抵抗率の高いWSi、W、ポリシリコン(多結晶シリコン)などを用いる。これによって、上記電流密度の問題を回避できる程度にヒータ配線の断面積を保持し、ヒータ配線の長さをより小さくすることができるので、結果としてヒータ領域の表面積が小さくなり、更なる低消費電力化につながる。   By the way, if the power consumption is reduced while the temperature of the catalytic metal gate used in the Si-MISFET type combustible gas sensor is fixed at, for example, 150 ° C., it is necessary to reduce the sectional area of the heater wiring and increase the heater resistance. . However, if the current density flowing through the heater wiring is too high, problems such as wire breakage are caused, and the cross-sectional area of the heater wiring cannot be reduced unnecessarily. Therefore, WSi, W, polysilicon (polycrystalline silicon) or the like having high resistivity is used instead of the heater wiring made of Al or Au having low resistivity. As a result, the cross-sectional area of the heater wiring can be maintained to such an extent that the current density problem can be avoided, and the length of the heater wiring can be further reduced. As a result, the surface area of the heater region is reduced, resulting in further lower consumption. It leads to electric power.

本実施の形態5では、センサ用FETにnチャネル型MISFETに適用した場合について説明する。センサ用FETのゲート構造はゲート長とゲート幅、平面形状は実施形態1と同じである。   In the fifth embodiment, a case where the sensor FET is applied to an n-channel MISFET will be described. The gate structure of the sensor FET is the same as that of the first embodiment in terms of gate length, gate width, and planar shape.

次に、前述した課題を解決する手段を実現するためのセンサチップの構成条件および動作条件を適用した本実施の形態1によるSi−MISFET型ガスセンサの構造について詳細に説明する。   Next, the structure of the Si-MISFET type gas sensor according to the first embodiment to which the configuration conditions and operation conditions of the sensor chip for realizing the means for solving the above-described problems are applied will be described in detail.

まず、図11Aおよび図11B、および図11Cおよび図11Dを用いてセンサチップについて説明する。図11Aには、SOI基板に形成したセンサ用FETの主要部分、ヒータ配線、および取り出し配線などを示している。図11Bには、SOI基板に形成したセンサチップの主要部分、ヒータ配線、取り出し配線、およびパッド電極などを示している。 図11Aに示すように、Si基板43a上には、埋め込み絶縁層(SiO層)123、チャネル層(Si層)128、nSi層27S、27D、ゲート絶縁膜(SiO 膜)25、ゲート電極(触媒金属ゲート)20、ソース電極21、ドレイン電極22などが形成されている。ゲート電極20のゲート長は、例えば5μm、ゲート幅は、例えば20μmである。チャネル層128の厚さは、例えば0.1〜5μmであり、代表的な厚さとしては0.2μmを例示することができる。埋め込み絶縁層123の厚さは、例えば0.1〜5μmの範囲であり、代表的な厚さとして3μmを例示することができる。Si基板43aの厚さは、例えは200〜750μmであり、代表的な厚さとして500μmを例示することができる。 First, a sensor chip will be described with reference to FIGS. 11A and 11B, and FIGS. 11C and 11D. FIG. 11A shows the main part of the sensor FET formed on the SOI substrate, the heater wiring, the extraction wiring, and the like. FIG. 11B shows the main part of the sensor chip formed on the SOI substrate, the heater wiring, the extraction wiring, the pad electrode, and the like. As shown in FIG. 11A, on the Si substrate 43a, a buried insulating layer (SiO 2 layer) 123, a channel layer (Si layer) 128, n + Si layers 27S and 27D, a gate insulating film (SiO 2 film) 25, A gate electrode (catalytic metal gate) 20, a source electrode 21, a drain electrode 22, and the like are formed. The gate length of the gate electrode 20 is, for example, 5 μm, and the gate width is, for example, 20 μm. The thickness of the channel layer 128 is, for example, 0.1 to 5 μm, and a typical thickness is 0.2 μm. The thickness of the buried insulating layer 123 is, for example, in the range of 0.1 to 5 μm, and a typical thickness can be 3 μm. The thickness of the Si substrate 43a is, for example, 200 to 750 μm, and a typical thickness is 500 μm.

また、Si結晶はドーピングにより熱伝導率λが下がるので、本実施の形態5のように断熱をしたい場合には、Si基板43aに高濃度のp型不純物を添加したp型のSi基板を用いる。これにより、熱伝導率λが不純物を添加していないSi結晶の1/3程度に下がるので、断熱特性が向上する。本実施の形態5では、Si基板43aにB(ボロン)を添加したp型のSi基板を用いたが、高濃度基板のSOI基板を用いることもできる。   In addition, since the thermal conductivity λ of the Si crystal is lowered by doping, a p-type Si substrate in which a high-concentration p-type impurity is added to the Si substrate 43a is used when heat insulation is desired as in the fifth embodiment. . As a result, the thermal conductivity λ is reduced to about 1/3 that of the Si crystal to which no impurity is added, so that the heat insulation characteristics are improved. In the fifth embodiment, a p-type Si substrate in which B (boron) is added to the Si substrate 43a is used. However, a high concentration SOI substrate can also be used.

本実施の形態5では、nSi層27S、27Dをイオン注入法で形成した後、活性化のための熱アニール処理を施すが、この熱アニール処理時の増殖酸化により局所酸化膜(SiO膜)40を形成する。局所酸化膜40の下にnSi層27S、27Dを形成した後、センサ用FETのソース電極21、ドレイン電極22、ゲート20の主要部が形成される真性FET領域35以外の領域のnSi層27S、27D、チャネル層128を選択的に除去する。この目的は、チャネル層128は熱伝導率がSiOに比べて2桁程度高いため、チャネル層128の面積が大きいとヒータ配線32により加熱された真性FET領域35に流入した熱量が周囲に逃げやすくなるので、真性FET領域35を効率的に断熱するためである。例えばアンドープ単結晶Si基板の熱伝導率λは148W/(m・℃)、SiOの熱伝導率λは1.4W/(m・℃)、Siの熱伝導率λは25W/(m・℃)である。Siの熱伝導率λは作製条件により0.9から40W/(m・℃)程度の範囲で変化するが、膜厚を変えることでSi膜の熱伝導度を設計することができる。 In the fifth embodiment, the n + Si layers 27S and 27D are formed by an ion implantation method, and then a thermal annealing process for activation is performed. A local oxide film (SiO 2) is formed by the proliferation oxidation during the thermal annealing process. Film) 40 is formed. Local oxidation film 40 n + Si layer 27S under, after forming the 27D, source electrode 21 of the sensor FET, the drain electrode 22, an intrinsic FET region 35 other than the region where the main part of the gate 20 is formed n + The Si layers 27S and 27D and the channel layer 128 are selectively removed. The purpose of this is that the channel layer 128 has a thermal conductivity that is about two orders of magnitude higher than that of SiO 2. Therefore, if the area of the channel layer 128 is large, the amount of heat flowing into the intrinsic FET region 35 heated by the heater wiring 32 escapes to the surroundings. This is because the intrinsic FET region 35 is efficiently insulated. For example, the thermal conductivity λ of an undoped single crystal Si substrate is 148 W / (m · ° C.), the thermal conductivity λ of SiO 2 is 1.4 W / (m · ° C.), and the thermal conductivity λ of Si 3 N 4 is 25 W / (M · ° C.). The thermal conductivity λ of Si 3 N 4 varies in the range of 0.9 to 40 W / (m · ° C.) depending on the fabrication conditions, but the thermal conductivity of the Si 3 N 4 film is designed by changing the film thickness. be able to.

図11Aおよび図11Bに示すように、ゲート領域125は局所酸化膜40およびPSG(リンドープガラス)保護膜129に囲まれた長方形状であり、このゲート領域125にゲート絶縁膜25を介してチャネル層128が形成されている。ゲート20は、電子ビーム蒸着法によりTi膜(例えば厚さ10nm)およびPt膜(例えば厚さ5nm)を順次形成し、局所酸化膜40の縁に乗り上がる様にリフトオフ法により形成されている。このときに、550℃1時間の空気アニール処理を行っている。ゲート20の幅はゲート長に比べて3μm広く設計し、例えば8μmである。   As shown in FIGS. 11A and 11B, the gate region 125 has a rectangular shape surrounded by a local oxide film 40 and a PSG (phosphorus doped glass) protective film 129, and a channel is formed in the gate region 125 via the gate insulating film 25. Layer 128 is formed. The gate 20 is formed by a lift-off method so that a Ti film (for example, a thickness of 10 nm) and a Pt film (for example, a thickness of 5 nm) are sequentially formed by an electron beam evaporation method and ride on the edge of the local oxide film 40. At this time, an air annealing process is performed at 550 ° C. for 1 hour. The width of the gate 20 is designed to be 3 μm wider than the gate length, for example, 8 μm.

ゲート領域25を除いて、nSi層27S、27Dおよび局所酸化膜40上には、ゲート保護用のPSG保護膜129が熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成されている。さらにPSG保護膜129上にはWSiからなるヒータ配線32が形成されている。PSG保護膜129の厚さは、例えば300nmである。ヒータ配線32の厚さは、例えば300nm、線幅は、例えば1μm、150℃での抵抗率は、例えば300μΩcmである。ゲート20とソース電極21との間に、例えばヒータ配線32が長さ30μmを単位として1μm間隔で4本つづれ折形状で形成され、ゲート電極20とドレイン電極22との間にも同様にヒータ配線32が形成されている。この場合、ヒータ配線32の全長は約250μmとなる。ヒータ配線32の抵抗は、例えば150℃で1.5kΩである。 Except for the gate region 25, a PSG protective film 129 for gate protection is formed on the n + Si layers 27S and 27D and the local oxide film 40 by a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, a heater wiring 32 made of WSi is formed on the PSG protective film 129. The thickness of the PSG protective film 129 is, for example, 300 nm. The thickness of the heater wiring 32 is, for example, 300 nm, the line width is, for example, 1 μm, and the resistivity at 150 ° C. is, for example, 300 μΩcm. Between the gate 20 and the source electrode 21, for example, four heater wirings 32 are formed at intervals of 1 μm with a length of 30 μm as a unit, and the heater wiring is similarly formed between the gate electrode 20 and the drain electrode 22. 32 is formed. In this case, the total length of the heater wiring 32 is about 250 μm. The resistance of the heater wiring 32 is 1.5 kΩ at 150 ° C., for example.

ヒータ配線32上にはPSG保護膜130が熱CVD法により形成されている。PSG保護膜130の厚さは、例えば300nmである。さらに、PSG保護膜130には、ヒータ配線32との接続をとるためのコンタクト孔(例えば3μm角)44H、44S、およびゲート電極20との接続をとるためのコンタクト孔(例えば3μm角)44Gが形成されており、PSG保護膜129、130には、nSi層27S、27Dとの接続をとるためのコンタクト孔37が形成されている。 A PSG protective film 130 is formed on the heater wiring 32 by a thermal CVD method. The thickness of the PSG protective film 130 is, for example, 300 nm. Further, the PSG protective film 130 has contact holes (for example, 3 μm square) 44H and 44S for connecting to the heater wiring 32, and contact holes (for example, 3 μm square) 44G for connecting to the gate electrode 20. The PSG protective films 129 and 130 are formed with contact holes 37 for connection to the n + Si layers 27S and 27D.

さらに、コンタクト孔44Hを介してヒータ配線32の一端と接続する取り出し配線20Hが形成され、コンタクト孔44Sを介してヒータ配線32の他の一端と接続する取り出し配線20Sが形成され、コンタクト孔44Gを介してゲート電極20と接続する取り出し配線20Gが形成されている。そして、nSi層27Sと接続するソース電極21およびこれと同一層の取り出し配線20Sが形成され、nSi層27Dと接続するドレイン電極22およびこれと同一層の取り出し配線20Dが形成されている。取り出し配線20S、20D、20G、20Hは、例えばスパッタリング法により形成されたAlからなり、その厚さは、例えば500nmである。取り出し配線20Sはコンタクト孔44Sを介してヒータ配線32の他の一端と、コンタクト孔37を介してソース電極31Sとに電気的に接続している。取り出し配線20S、20D、20G、20Hは、それぞれセンサチップ45Sの周囲に形成されたパッド電極140、41、42、43と接続している。 Further, an extraction wiring 20H connected to one end of the heater wiring 32 through the contact hole 44H is formed, and an extraction wiring 20S connected to the other end of the heater wiring 32 through the contact hole 44S is formed. An extraction wiring 20G connected to the gate electrode 20 is formed. Then, the source electrode 21 connected to the n + Si layer 27S and the extraction wiring 20S of the same layer are formed, and the drain electrode 22 connected to the n + Si layer 27D and the extraction wiring 20D of the same layer are formed. Yes. The extraction wirings 20S, 20D, 20G, and 20H are made of, for example, Al formed by sputtering, and the thickness thereof is, for example, 500 nm. The lead-out wiring 20S is electrically connected to the other end of the heater wiring 32 through the contact hole 44S and the source electrode 31S through the contact hole 37. The extraction wirings 20S, 20D, 20G, and 20H are connected to pad electrodes 140, 41, 42, and 43 formed around the sensor chip 45S, respectively.

さらに、取り出し配線20S、20D、20G、20H、ソース電極21、およびドレイン領域22などの上には最終の保護膜33が形成されている。この最終の保護膜33は、例えばPSG膜を下層とし、Si膜を上層とする積層膜からなる。下層のPSG膜は、例えば熱CVD法により形成され、その厚さは、例えば200nmであり、上層のSi膜は、例えば低温プラズマCVD法により形成され、その厚さは、例えば1μmである。 Furthermore, a final protective film 33 is formed on the extraction wirings 20S, 20D, 20G, 20H, the source electrode 21, the drain region 22, and the like. The final protective film 33 is made of a laminated film having a PSG film as a lower layer and an Si 3 N 4 film as an upper layer, for example. The lower PSG film is formed by, for example, a thermal CVD method, and the thickness thereof is, for example, 200 nm. The upper Si 3 N 4 film is formed by, for example, a low-temperature plasma CVD method, and the thickness thereof is, for example, 1 μm. is there.

ヒータ配線32の主要部が形成されるヒータ領域10(平面寸法は、例えば30μm×24μm)と、センサ用FETのソース電極21、ドレイン電極22およびゲート20の主要部が形成される真性FET領域35(平面寸法は、例えば44μm×44μm)とが配置されるMEMS領域34(平面寸法は、例えば200μm×200μm)では、Si基板43aが埋め込み絶縁層123に達するまでくり貫かれている。この構造は、異方性ドライエッチングとKOH溶液によるウェットエッチングとを組み合わせせる方法により形成される。センサ用FETの閾値電圧は、例えば1Vに設計されている。センサ用FETの閾値電圧は、ドレイン電圧Vds=1.5〜3Vの範囲でソース−ドレイン電流Ids=5μAとなるゲート電圧Vgで定義している。   The heater region 10 (planar dimension is, for example, 30 μm × 24 μm) in which the main portion of the heater wiring 32 is formed, and the intrinsic FET region 35 in which the main portions of the source electrode 21, the drain electrode 22 and the gate 20 of the sensor FET are formed. In a MEMS region 34 (planar dimension is, for example, 44 μm × 44 μm) (planar dimension is, for example, 200 μm × 200 μm), the Si substrate 43 a is penetrated until reaching the buried insulating layer 123. This structure is formed by a method in which anisotropic dry etching and wet etching with a KOH solution are combined. The threshold voltage of the sensor FET is designed to be 1 V, for example. The threshold voltage of the sensor FET is defined by the gate voltage Vg at which the source-drain current Ids = 5 μA in the range of the drain voltage Vds = 1.5-3V.

次に、本実施の形態1によるヒータ領域100の熱を、MEMS領域34で断熱的に閉じ込める構造について説明する。   Next, a structure in which the heat of the heater region 100 according to the first embodiment is adiabatically confined in the MEMS region 34 will be described.

Si−MOS型ガスセンサの場合には、150℃での動作が上限で、マージンも考慮してヒータ領域100の設定温度(標準動作温度)Tsを150℃とすると、可燃性ガスセンサが設置された環境温度Teが低いほど、可燃性ガスセンサの加熱による発熱量(ヒータ電力Pow)を多くする必要がある。真性FET領域35のヒータ配線32の下には熱伝導率の良いSiからなるチャネル層128およびnSi層27S、27Dがあり、ヒータ配線32による発熱による温度の均一性を上げる効果がある。 In the case of the Si-MOS type gas sensor, the operation at 150 ° C. is the upper limit, and the setting temperature (standard operating temperature) Ts of the heater region 100 is 150 ° C. in consideration of the margin, the environment where the combustible gas sensor is installed. The lower the temperature Te, the greater the amount of heat generated by heating the combustible gas sensor (heater power Pow). Under the heater wiring 32 in the intrinsic FET region 35, there are a channel layer 128 and n + Si layers 27 </ b > S and 27 </ b > D made of Si having good thermal conductivity, which has an effect of increasing temperature uniformity due to heat generated by the heater wiring 32.

本実施の形態5では、ゲート20を挟んでヒータ領域100が配置されており、きわめて小型であるため、ヒータ領域100の温度とゲート20の温度とはほぼ等しいと考えることができる。ヒータ領域100と可燃性ガスセンサが設置された環境までの熱拡散を考えた場合、両者間の熱抵抗をRthとすると、環境温度Te、ヒータ電力Powで、ヒータ領域の温度がTとなったときの温度差ΔT(=T−Te)は、
ΔT=Rth×Pow 式(4)
となる。
In the fifth embodiment, the heater region 100 is disposed with the gate 20 in between, and the heater region 100 is extremely small. Therefore, it can be considered that the temperature of the heater region 100 and the temperature of the gate 20 are substantially equal. When considering the thermal diffusion to the environment where the heater region 100 and the combustible gas sensor are installed, assuming that the thermal resistance between them is Rth, the temperature of the heater region becomes T at the environmental temperature Te and the heater power Pow. The temperature difference ΔT (= T−Te) of
ΔT = Rth × Pow Formula (4)
It becomes.

環境温度Teとして−35℃を平均的に設置される環境の最低温度とすると、150℃動作の場合、温度差ΔTは185℃になる。本実施の形態1では、動作温度150℃時のヒータ抵抗は1.5kΩであり、3Vの電池動作を考えるとヒータ最大電力Powmaxは6mWで、温度差ΔTmaxは215℃である。   Assuming that −35 ° C. is the average temperature of the environment in which the environment temperature Te is set as an average, in the case of 150 ° C. operation, the temperature difference ΔT is 185 ° C. In the first embodiment, the heater resistance at an operating temperature of 150 ° C. is 1.5 kΩ, the heater maximum power Powmax is 6 mW, and the temperature difference ΔTmax is 215 ° C. when 3V battery operation is considered.

一般に、最も高い温度差ΔTは185℃程度であり、連続通電の場合、ヒータ電力Powは5.16mWであり、間歇動作によるヒータ制御を考えると、リチウム電池が2個で1年以上の連続動作は可能となる。MEMS領域34の熱容量は、例えば前述した非特許文献2に記載された2mm角センサチップ(Si基板の厚さ0.4mm)でのSi−MISFET型ガスセンサの熱容量(約270μW秒/℃)の1/10,000程度となり、5.16mWの電力を投入した時の環境温度Teから150℃へチップ温度を上げようとすると、その到達時間t0を2.0m秒程度と非常に短くすることができる。従って、6秒間ヒータ配線32をオン(加熱)し、24秒間ヒータ配線32をオフ(加熱停止)する間歇動作によって、duty比を1/5に取ることができ、可燃性ガスセンサの検知能力の信頼性を落とすことなく、実効的な可燃性ガスセンサの消費電力を約1mWに低減できる。これにより、3Vリチウム電池2個で1年程度の動作が可能になる。   In general, the highest temperature difference ΔT is about 185 ° C., and in the case of continuous energization, the heater power Pow is 5.16 mW. Considering heater control by intermittent operation, two lithium batteries can be operated continuously for more than one year. Is possible. The heat capacity of the MEMS region 34 is, for example, 1 of the heat capacity (about 270 μW sec / ° C.) of the Si-MISFET type gas sensor in the 2 mm square sensor chip (0.4 mm thickness of the Si substrate) described in Non-Patent Document 2 described above. When the chip temperature is raised from the environmental temperature Te when the power of 5.16 mW is applied to 150 ° C., the arrival time t0 can be shortened to about 2.0 msec. . Therefore, the duty ratio can be reduced to 1/5 by intermittent operation in which the heater wiring 32 is turned on (heated) for 6 seconds and the heater wiring 32 is turned off (heating stopped) for 24 seconds, and the detection capability of the combustible gas sensor is reliable. The power consumption of an effective combustible gas sensor can be reduced to about 1 mW without degrading the performance. As a result, it is possible to operate for about one year with two 3V lithium batteries.

また、引き出し配線20S、20D、20G、20HはAl膜により形成されるが、Al膜の熱伝導率λは金属としては237W/(m・℃)であるが、薄膜にした場合には180W/(m・℃)まで低下する。WSi膜の熱伝導率λは90W/(m・℃)程度であり、両者ともヒータ領域100からの主たる熱流路になる。そのため、以下に説明する工夫が必要である。   The lead wires 20S, 20D, 20G, and 20H are formed of an Al film, and the thermal conductivity λ of the Al film is 237 W / (m · ° C.) as a metal, but 180 W / in the case of a thin film. (M · ° C.) The thermal conductivity λ of the WSi film is about 90 W / (m · ° C.), and both become main heat flow paths from the heater region 100. Therefore, the device described below is necessary.

本実施の形態5では、ヒータ領域100での発熱をより良く断熱する目的で、真性FET領域35とMEMS領域34とが重ならない領域に、部分的にPSG保護膜129、130および保護膜33を除去し、さらに埋め込み絶縁層123を貫通させた貫通孔36を複数配置することにより、センサチップ45Sを断熱特性が各段に優れる空気により支配される構造とした。真性FET領域35とMEMS領域34との相対距離は78μmであり、MEMS領域34の下は空気であり、空気の115℃での熱伝導率λは0.03227W/(m・℃)ときわめて低いので、この構造の断熱特性は格段に良い。しかし、貫通孔36を大きくしすぎると、MEMS領域34の機械的強度が劣化する。一方、Si膜からなる保護膜33はヒータ配線32や取り出し配線20S、20D、20G、20Hを保護するために必要であるが、SiOに比べて熱伝導率が1桁程度高いので、消費電力が下がってくると、引き出し配線20S、20D、20G、20Hが形成されたブリッジ領域の断熱特性が無視できなくなる。 In the fifth embodiment, the PSG protective films 129 and 130 and the protective film 33 are partially formed in a region where the intrinsic FET region 35 and the MEMS region 34 do not overlap for the purpose of better insulating heat generated in the heater region 100. The sensor chip 45S has a structure in which the heat insulating property is dominated by air having excellent heat resistance at each stage by removing and arranging a plurality of through holes 36 through which the buried insulating layer 123 passes. The relative distance between the intrinsic FET region 35 and the MEMS region 34 is 78 μm, the air under the MEMS region 34 is air, and the thermal conductivity λ of air at 115 ° C. is as extremely low as 0.03227 W / (m · ° C.). Therefore, the heat insulating property of this structure is much better. However, if the through hole 36 is too large, the mechanical strength of the MEMS region 34 deteriorates. On the other hand, the protective film 33 made of the Si 3 N 4 film is necessary for protecting the heater wiring 32 and the extraction wirings 20S, 20D, 20G, and 20H, but has a thermal conductivity that is about one digit higher than that of SiO 2 . When the power consumption decreases, the heat insulation characteristics of the bridge region where the lead wirings 20S, 20D, 20G, and 20H are formed cannot be ignored.

これらの点を考慮して、断熱化の方法を図11Cおよび図11Dにそれぞれ示す平面図および断面図を用いて説明する。図11Cは図11Bのブリッジ領域90の周辺部分の拡大図である。ブリッジ領域90の長さは、例えば78μmである。ブリッジ領域90の取り出し配線20Zの線幅は、例えば2μm、保護膜33Sの線幅は、例えば3μm、PSG保護膜129、130の積層膜93の線幅は、例えば6μmである。また、真性FET領域35の周辺部分では取り出し配線20ZSと保護膜33SSとの相対距離は、例えば3μm、保護膜33SSとPSG保護膜129、130の積層膜93SSとの相対距離は、例えば3μmである。この構造はゲート電極20に繋がる取り出し配線20Gのブリッジ領域90G、ヒータ配線32の一端に繋がる取り出し配線20Hのブリッジ領域90H、ソース電極31Sおよびヒータ配線32の他の一端に繋がる取り出し配線20Sに繋がるブリッジ領域90Sでも同じ構造になっている。MEMS領域34を補強するために、PSG保護膜129、130の積層膜を形成した補強領域91の幅も、例えば6μmである。貫通孔36が形成される領域のMEMS領域の縁とFET領域の縁との距離をブリッジ領域90の長さと定義すると、本実施の形態5では78μmであり、真性FET領域の縁とMEMS領域の縁との最も近い距離になるので、全てのブリッジ領域90、90S、90G、90Hの幅および全て補強領域91の幅の和36μm(6μm×6本)と比べて約2.2倍であり、通例1倍から20倍に形成される。   In consideration of these points, the heat insulation method will be described with reference to a plan view and a cross-sectional view shown in FIGS. 11C and 11D, respectively. FIG. 11C is an enlarged view of a peripheral portion of the bridge region 90 of FIG. 11B. The length of the bridge region 90 is 78 μm, for example. The line width of the lead-out wiring 20Z in the bridge region 90 is 2 μm, for example, the line width of the protective film 33S is 3 μm, for example, and the line width of the laminated film 93 of the PSG protective films 129 and 130 is 6 μm, for example. In the peripheral portion of the intrinsic FET region 35, the relative distance between the extraction wiring 20ZS and the protective film 33SS is, for example, 3 μm, and the relative distance between the protective film 33SS and the stacked film 93SS of the PSG protective films 129, 130 is, for example, 3 μm. . In this structure, the bridge region 90G of the extraction wiring 20G connected to the gate electrode 20, the bridge region 90H of the extraction wiring 20H connected to one end of the heater wiring 32, the bridge connected to the extraction wiring 20S connected to the other end of the source electrode 31S and the heater wiring 32. The region 90S has the same structure. In order to reinforce the MEMS region 34, the width of the reinforcing region 91 in which the laminated film of the PSG protective films 129 and 130 is formed is also 6 μm, for example. When the distance between the edge of the MEMS region in the region where the through hole 36 is formed and the edge of the FET region is defined as the length of the bridge region 90, the length of the bridge region 90 is 78 μm in the fifth embodiment. Since it is the closest distance to the edge, it is about 2.2 times the total 36 μm (6 μm × 6) of the width of all the bridge regions 90, 90 S, 90 G, 90 H and the width of all the reinforcing regions 91, It is usually formed from 1 to 20 times.

ブリッジ領域90、90S、90G、90Hでは、保護膜33を構成するSi膜の厚さは、例えば1μm、PSGをSiOとみなすと、PSG保護膜129、130の厚さはSiO換算で3.8μm形成されている。SiOの熱伝導率1.4W/(m・℃)、Siの熱伝導率25W/(m・℃)、Al薄膜の熱伝導率180W/(m・℃)、WSi薄膜の熱伝導率90W/(m・℃)を考慮すると、ブリッジ領域90の熱抵抗は、取り出し配線20S、20D、20Gに係わる3個のブリッジ部分で9.1×10℃/W、取り出し配線20Hに係わる1個のブリッジ部分で39.65×10℃/W、補強領域91に係わる2個のブリッジ部分で12.22×10℃/Wとなる。この3つの熱抵抗が並列につながり、ヒータ領域100からMEMS領域までの熱抵抗Rは4.61×10℃/Wとなる。この場合、貫通孔36による熱伝導は無視できる。 In the bridge regions 90, 90S, 90G, and 90H, the thickness of the Si 3 N 4 film constituting the protective film 33 is, for example, 1 μm, and when PSG is regarded as SiO 2 , the thickness of the PSG protective films 129 and 130 is SiO 2. 3.8 μm is formed in terms of conversion. Thermal conductivity of SiO 2 is 1.4 W / (m · ° C.), Thermal conductivity of Si 3 N 4 is 25 W / (m · ° C.), Thermal conductivity of Al thin film is 180 W / (m · ° C.), Heat of WSi thin film Considering the conductivity of 90 W / (m · ° C.), the thermal resistance of the bridge region 90 is 9.1 × 10 4 ° C./W at the three bridge portions related to the extraction wirings 20S, 20D, and 20G, and the extraction wiring 20H One bridge portion involved is 39.65 × 10 4 ° C./W, and two bridge portions associated with the reinforcing region 91 are 12.22 × 10 4 ° C./W. The three heat resistance leads to parallel, the thermal resistance R M from the heater region 100 to MEMS region becomes 4.61 × 10 4 ℃ / W. In this case, heat conduction through the through hole 36 can be ignored.

また、MEMS領域34からMEMS領域34のくり貫き領域を通じて、センサチップとステム台座に挟まれた断熱材(後述する図12(a)の符号50)の表面までの熱抵抗は、空気の熱伝導度0.03227W/(m・℃)から7.75×10℃/Wと見積もれるが、ヒータ領域100の熱抵抗Rに比べて1桁以上高く、無視できる。つまり、ヒータ領域100に5mWの電力が投入された場合、ブリッジ領域とヒータ領域100との温度差は230.5℃(=4.61×104℃/W×5mW)となり、十分な断熱効果を期待することができる。 In addition, the thermal resistance from the MEMS region 34 to the surface of the heat insulating material (reference numeral 50 in FIG. 12A described later) sandwiched between the sensor chip and the stem pedestal through the hollow region of the MEMS region 34 is the heat conduction of air. degrees 0.03227W / (m · ℃) from estimable and 7.75 × 10 5 ℃ / W, but an order of magnitude or more compared to the thermal resistance R M of the heater region 100 increases, negligible. That is, when 5 mW of power is applied to the heater region 100, the temperature difference between the bridge region and the heater region 100 is 230.5 ° C. (= 4.61 × 104 ° C./W×5 mW). You can expect.

一方、保護膜33を構成するSi膜は熱伝導度がSiOに比べて1桁大きいので、真性FET領域35および取り出し配線20S、20D、20G、20Hが形成された領域上、および前述したブリッジ領域の周辺領域を残して除去している。また取り出し配線20S、20D、20G、20Hにハッチングで示した取り出し配線の一部分は、取り出し配線の電気抵抗のセンサ用FETに及ぼす影響を小さく保ち、熱抵抗を大きくする。そのため、例えばジグザグ構造(図11Bでは省略している)を取り入れる等によって、その幅は、例えば10μm、長さは、例えば700μmに設計している。このとき、取り出し配線全体の熱抵抗は1.94×10℃/W程度であるが、MEMS領域34以外では熱伝導度が高いSi基板22を経由して熱伝導が起こるので、MEMS方式では熱抵抗Rへの寄与は小さい。 On the other hand, since the Si 3 N 4 film constituting the protective film 33 has a thermal conductivity that is an order of magnitude higher than that of SiO 2 , on the region where the intrinsic FET region 35 and the extraction wirings 20S, 20D, 20G, 20H are formed, and It is removed leaving the peripheral area of the bridge area described above. Further, a part of the extraction wiring indicated by hatching in the extraction wirings 20S, 20D, 20G, and 20H keeps the influence of the electrical resistance of the extraction wiring on the sensor FET small and increases the thermal resistance. Therefore, for example, by incorporating a zigzag structure (not shown in FIG. 11B), the width is designed to be 10 μm and the length is designed to be 700 μm, for example. At this time, the thermal resistance of the entire extraction wiring is about 1.94 × 10 5 ° C./W, but heat conduction occurs through the Si substrate 22 having high thermal conductivity except in the MEMS region 34. The contribution to the thermal resistance RL is small.

次に、本実施の形態5によるヒータ領域100の熱を、センサチップの断熱材により実装基板から断熱する構造について説明する。図12は、本実施の形態5によるセンサチップを4本のリード端子を備えるステムに実装した可燃性ガスセンサの基本的な構成を説明する図である。図12(a)、(b)、および(c)はそれぞれセンサチップを実装した可燃性ガスセンサの断面図、裏面から可燃性ガスセンサを見たときのステム台座の底面図、およびセンサチップを実装したステム台座の上面図である。本実施の形態5に示した実装は簡易的な防爆実装なので、市販品を用いて実装部分が構築される事が望ましい。   Next, a structure in which the heat of the heater region 100 according to the fifth embodiment is insulated from the mounting substrate by the heat insulating material of the sensor chip will be described. FIG. 12 is a diagram illustrating a basic configuration of a combustible gas sensor in which the sensor chip according to the fifth embodiment is mounted on a stem having four lead terminals. 12 (a), (b), and (c) are cross-sectional views of a combustible gas sensor mounted with a sensor chip, a bottom view of a stem base when the combustible gas sensor is viewed from the back, and a sensor chip mounted, respectively. It is a top view of a stem base. Since the mounting shown in the fifth embodiment is a simple explosion-proof mounting, it is desirable to construct the mounting portion using a commercially available product.

本実施の形態5に示した実装では、例えば厚さ3mmのPEEK材(ポリエーテル・エーテル・ケトン材)57によって内部よりカシメている。Kovar製キャップ56とステム台座の鍔54との溶接は抵抗溶接法により行っている。本実施の形態1の可燃性ガスセンサで用いた防水透湿性素材58としては、フッ素樹脂の典型であるポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリーマーとを複合化して作るゴアテックス(登録商標)膜を用いている。防水透湿性素材58は、水蒸気は通すが水は通さない点(防水性と透湿性の両立)が特徴である。ゴアテックス膜の例では、1cm当り14億個の微細な穴を含んでいる。吸気孔160の直径は0.5〜2mm程度の範囲で用いているが、水素応答に格段の変化は見られなかった。防水透湿性素材58の穴径および厚さもそれぞれ1〜3μmおよび0.3〜1mmの範囲性能を比較したが特段の変化は観測できなかった。 In the mounting shown in the fifth embodiment, for example, the PEEK material (polyether / ether / ketone material) 57 having a thickness of 3 mm is caulked from the inside. The welding of the Kovar cap 56 and the stem pedestal 54 is performed by resistance welding. As the waterproof and moisture-permeable material 58 used in the combustible gas sensor of the first embodiment, Gore-Tex (registered trademark) made by combining a film obtained by stretching polytetrafluoroethylene, which is a typical fluororesin, and a polyurethane polymer. ) A membrane is used. The waterproof and moisture-permeable material 58 is characterized in that it allows water vapor to pass through but does not allow water to pass through (both waterproof and moisture-permeable). An example of a Gore-Tex membrane contains 1.4 billion fine holes per cm 2 . Although the diameter of the intake hole 160 is in the range of about 0.5 to 2 mm, no significant change was seen in the hydrogen response. The hole diameter and thickness of the waterproof and moisture-permeable material 58 were also compared in the range performance of 1 to 3 μm and 0.3 to 1 mm, respectively, but no particular change was observed.

4ピンKovar製ステム台座(台座内径4.22φ)51上に形成された断熱材50としては泡ガラス(熱伝導度0.061W/(m・℃))を用い、例えばこれを平面寸法0.6mm×0.6mm、高さ3mmの直方体状に加工して、ステム台座51に接着している。センサチップ8の厚さは、例えば500μm、センサチップ8の平面寸法は、例えば0.55mm×0.55mmである。キャップ56の高さは、例えば12mm、吸気穴80の直径は、例えば1.5mmである。防水透湿性素材58の穴径は、例えば1.0μm、その厚さは、例えば0.3mmである。ステム台座51には、ステム台座51を貫通してステム台座51の表面および裏面に突出する4本のリード端子55が備わっており、リード端子55は、リード端子55の外周に設けられたガラス材161によってステム台座51に固定されている。図12(a)中、符号59で示す寸法がキャップサイズである。   Foam glass (thermal conductivity 0.061 W / (m · ° C.)) is used as the heat insulating material 50 formed on the 4-pin Kovar stem pedestal (pedestal inner diameter 4.22φ) 51. It is processed into a rectangular parallelepiped shape of 6 mm × 0.6 mm and 3 mm in height, and is adhered to the stem base 51. The thickness of the sensor chip 8 is, for example, 500 μm, and the planar dimension of the sensor chip 8 is, for example, 0.55 mm × 0.55 mm. The height of the cap 56 is, for example, 12 mm, and the diameter of the intake hole 80 is, for example, 1.5 mm. The hole diameter of the waterproof and moisture-permeable material 58 is, for example, 1.0 μm, and the thickness thereof is, for example, 0.3 mm. The stem pedestal 51 is provided with four lead terminals 55 that penetrate the stem pedestal 51 and protrude from the front surface and the back surface of the stem pedestal 51. The lead terminals 55 are made of a glass material provided on the outer periphery of the lead terminal 55. 161 is fixed to the stem base 51. In FIG. 12A, the dimension indicated by reference numeral 59 is the cap size.

リード線(ワイヤボンディング)81は金線であり、その直径は、例えば8〜25μm、とり長さは3〜12mmである。代表的には、例えば8μφ金線6mmのリード線が用いられ、前述の図11Bに示す4つのパッド電極140、41、42、43と4本のリード端子55とがそれぞれリード線81によって接続されている。この4本のリード線168の合計の熱抵抗Rは、例えば9.41×10℃/W程度である。この場合、ヒータ領域100からパッド電極140、41、42、43までの熱抵抗を含んでいないので、9.41×10℃/Wは熱抵抗Rの最小値と考えられる。また断熱材50のMEMS領域の熱抵抗Rでは4.25×10℃/Wである。また断熱材50のMEMS領域以外の熱抵抗Rでは0.375×10℃/Wである。 The lead wire (wire bonding) 81 is a gold wire, and the diameter thereof is, for example, 8 to 25 μm, and the length is 3 to 12 mm. Typically, for example, a lead wire of 8 μφ gold wire 6 mm is used, and the four pad electrodes 140, 41, 42, 43 shown in FIG. 11B and the four lead terminals 55 are connected by the lead wires 81, respectively. ing. The total thermal resistance RL of the four lead wires 168 is, for example, about 9.41 × 10 4 ° C./W. In this case, since the thermal resistance from the heater region 100 to the pad electrodes 140, 41, 42, 43 is not included, 9.41 × 10 4 ° C./W is considered to be the minimum value of the thermal resistance RL . The thermal resistance RD in the MEMS region of the heat insulating material 50 is 4.25 × 10 5 ° C./W. Moreover, in heat resistance RS other than the MEMS area | region of the heat insulating material 50, it is 0.375 * 10 < 5 > degreeC / W.

ヒータ領域100の面積は、例えば30μm×24μmであるので、この面積の円の半径rは15.1μmとなり、150℃での空気の熱伝導率λ(0.03227W/(m・℃)を用いて4πλrは0.613×10−5W/℃となる。 Since the area of the heater region 100 is, for example, 30 μm × 24 μm, the radius r A of the circle of this area is 15.1 μm, and the thermal conductivity of air λ (0.03227 W / (m · ° C.) at 150 ° C. Using 4πλr A is 0.613 × 10 −5 W / ° C.

次に、前述した式(2)および式(3)の物理的意味を図13Aを用いて説明する。図13Aはガスセンサの動作温度Tとガスセンサを設置した環境温度Teとの温度差ΔT(=T−Te)と、ヒータ配線に投与されるヒータ電力Powとの関係を説明するグラフ図である。設定温度Tsでのヒータ配線の電気抵抗R(Ts)と使用する電源電圧Vddで決まるヒータ配線へ投入するヒータ最大電力をPowmaxとする。   Next, the physical meanings of the above-described equations (2) and (3) will be described with reference to FIG. 13A. FIG. 13A is a graph illustrating the relationship between the temperature difference ΔT (= T−Te) between the operating temperature T of the gas sensor and the ambient temperature Te where the gas sensor is installed, and the heater power Pow administered to the heater wiring. Let Powmax be the maximum heater power input to the heater wiring determined by the electrical resistance R (Ts) of the heater wiring at the set temperature Ts and the power supply voltage Vdd to be used.

本実施の形態5の場合、Ts=150℃、R(Ts)=1.5kΩ、Vdd=3Vであるので、ヒータ最大電力Powmaxは6mWとなる。一方、ヒータ領域の設定温度Tsと可燃性ガスセンサを設置した環境想定最低温度Teminとの温度差ΔTmax(=Ts−Temin)は、Temin=−65℃、Ts=150℃であるので、215℃となる。熱抵抗ΔTmax/Powmaxを傾きとする温度差ΔTとヒータ電力Powとの関係を、図13Aに点線による直線で示している。   In the case of the fifth embodiment, since Ts = 150 ° C., R (Ts) = 1.5 kΩ, and Vdd = 3 V, the heater maximum power Powmax is 6 mW. On the other hand, the temperature difference ΔTmax (= Ts−Temin) between the set temperature Ts of the heater region and the assumed environmental minimum temperature Temin in which the combustible gas sensor is installed is Temin = −65 ° C. and Ts = 150 ° C. Become. The relationship between the temperature difference ΔT with the inclination of the thermal resistance ΔTmax / Powmax and the heater power Pow is indicated by a dotted line in FIG. 13A.

本実施の形態5によるガスセンサの温度差ΔTとヒータ電力Powとの関係を、図13Aの実線による直線で示している。この熱抵抗Rthは熱抵抗ΔTmax/Powmaxより高く、
Rth>ΔTmax/Powmax 式(5)
の関係がある。この場合、想定している外部環境温度の最低環境温度−65℃での温度差ΔTmax=215℃と最高環境温度105℃での温度差ΔT=45℃の範囲内で、必ずヒータ最大電力Powmax以下の消費電力でガスセンサを動作できることを示している。通例の環境温度である25℃の場合(温度差ΔT=125℃の場合)、温度差ΔTmax=215℃の場合に比べて0.58の消費電力でよく、最も熱抵抗の低いRth=ΔTmax/Powmaxでも3.5mWの消費電力ですむことが分かる。
The relationship between the temperature difference ΔT of the gas sensor according to the fifth embodiment and the heater power Pow is indicated by a straight line with a solid line in FIG. 13A. This thermal resistance Rth is higher than the thermal resistance ΔTmax / Powmax,
Rth> ΔTmax / Powmax Formula (5)
There is a relationship. In this case, within the range of the temperature difference ΔTmax = 215 ° C. at the lowest ambient temperature −65 ° C. of the assumed external environment temperature and the temperature difference ΔT = 45 ° C. at the maximum environment temperature 105 ° C., the heater power is always less than the maximum power Powmax. It shows that the gas sensor can be operated with power consumption of. In the case of a normal environmental temperature of 25 ° C. (in the case of a temperature difference ΔT = 125 ° C.), power consumption of 0.58 is sufficient compared to the case of the temperature difference ΔTmax = 215 ° C., and Rth = ΔTmax / It can be seen that power consumption of 3.5 mW is sufficient even with Powmax.

つまり、式(5)を満たしている場合、図13Aでは、必ずヒータ最大電力Powmax以下の消費電力で所望の範囲の温度差ΔTを実現できることを示している。式(5)を満たすための必要条件が前述した式(3)であり、式(3)の右辺は全て測定できる量であり、左辺はガスセンサの動作仕様から決まる量である。   That is, when Expression (5) is satisfied, FIG. 13A shows that a temperature difference ΔT in a desired range can be realized with power consumption equal to or less than the heater maximum power Powmax. The necessary condition for satisfying the equation (5) is the above-described equation (3), the right side of the equation (3) is a measurable amount, and the left side is an amount determined from the operation specifications of the gas sensor.

本実施の形態5で用いる条件であるセンサ温度150℃動作の場合、最低環境温度−65℃での温度差ΔTmax=215℃と最高環境温度105℃での温度差ΔT=45℃の範囲で熱抵抗ΔTmax/Powmaxから決まる温度差ΔT=185℃に対応するヒータ電力Pow(185)は、本実施の形態5の場合、5.16mWである。   In the case of operation at a sensor temperature of 150 ° C., which is a condition used in the fifth embodiment, heat is applied in the range of a temperature difference ΔTmax = 215 ° C. at the lowest environmental temperature −65 ° C. and a temperature difference ΔT = 45 ° C. at the highest environmental temperature 105 ° C. In the case of the fifth embodiment, the heater power Pow (185) corresponding to the temperature difference ΔT = 185 ° C. determined from the resistance ΔTmax / Powmax is 5.16 mW.

以上、本実施の形態5において例示したガスセンサでは、1/R=0.235×10−5W/℃、1/R=0.137×10−5W/℃、4πλr=0.613×10−5W/℃であるので、式(3)の左辺のPowmax/ΔTmaxは3.333×10−5W/℃となり、式(3)を満足している。 As described above, in the gas sensor exemplified in the fifth embodiment, 1 / R D = 0.235 × 10 −5 W / ° C., 1 / R P = 0.137 × 10 −5 W / ° C., 4πλr A = 0. Since it is 613 × 10 −5 W / ° C., Powmax / ΔTmax on the left side of Equation (3) is 3.333 × 10 −5 W / ° C., which satisfies Equation (3).

つまり、このようなMEMS構造にすることで、−35℃の環境下で、150℃で動作させた場合には、断熱性も確保でき、消費電力5.18mW程度の電力なり、MEMS構造適用前に比べて1/100以下の低電力化を達成し、連続通電ではバルクセンサや厚膜センサでは達し得ない低電力化を達成した。このようにして実装したガスセンサを外部温度−35℃の環境下で、215℃で動作させて、ヒータ配線に通電した場合のヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を図13Bに示す。ヒータ配線の抵抗は1.7kΩで消費電力は7mW程度である。この場合でもまたヒータ領域とMEMS領域端の温度差は120℃程度あり、周囲のSi温度は最高でも95℃程度であり十分な断熱特性を得た。本実施例には、実施例1のガスセンサをMEMS領域に展開した場合について記述したが、同様に実施例2のガスセンサをMEMS領域に展開できることは言うまでもない。   In other words, with such a MEMS structure, when operated at 150 ° C. in an environment of −35 ° C., heat insulation can be secured, and power consumption is about 5.18 mW, before the MEMS structure is applied. Compared to, we achieved a power reduction of 1/100 or less, and achieved a low power that cannot be achieved with a bulk sensor or thick film sensor with continuous energization. FIG. 13B is a graph illustrating the relationship between the resistance of the heater wiring and the power consumption when the gas sensor thus mounted is operated at 215 ° C. in an environment of an external temperature of −35 ° C. and the heater wiring is energized. Shown in The resistance of the heater wiring is 1.7 kΩ and the power consumption is about 7 mW. Also in this case, the temperature difference between the heater region and the end of the MEMS region is about 120 ° C., and the ambient Si temperature is about 95 ° C. at the maximum, so that sufficient heat insulation characteristics are obtained. In the present embodiment, the case where the gas sensor of the first embodiment is developed in the MEMS region has been described, but it is needless to say that the gas sensor of the second embodiment can be similarly deployed in the MEMS region.

以上のように、本発明を前記実施の形態1〜前記実施の形態5を用いて説明したが、本発明の効果をまとめると以下に示すようになる。
(1)超薄膜プラチナ粒界ナノ空間に金属化合物(ナノ化合物)が形成されていることを特徴とするナノコンポジット薄膜をガスセンサの感応膜に適用し、プラチナとナノ化合物の構成金属や膜厚や占有比率や形成条件を変える事で、様々なガスのセンシングに対応できるガスセンサを提供できた。特に長期信頼性の高い超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供できた。
(2)超薄膜プラチナ粒とナノ金属化合物の占有比率を制御できるナノコンポジット薄膜を提供することで、超薄膜プラチナ粒とナノ金属化合物間電気容量に吸着ガス分子が被着することで電気容量に蓄積する電荷量を電圧信号で読み出すことを実現する超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供した。
(3)ナノ金属化合物の占有比率を超薄膜プラチナ粒に比べて更に大きくするか、伝導キャリアが存在するナノ金属化合物を有するナノコンポジット薄膜を提供することで、ナノ金属化合物に吸着ガス分子が被着することで、ナノコンポジット薄膜の電気抵抗が変化することを流した電流変化或いは電圧変化或いは抵抗変化を読み出すことを実現する超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供した。
(4)今回、ナノコンポジット薄膜の下地膜を、ナノコンポジット薄膜を形成している金属化合物を含有する薄膜で形成することで、長期信頼性の高い超薄膜ガスセンサとその製造方法を提供できた。
(5)Pt−Ti−Oゲート構造において、数100pp以下で数ppm程度まで動作する水素センサ、および数%以上から数10%の濃度領域で動作する水素センサとその製造方法を提供できた。
(6)上記ナノコンポジット薄膜や上記下地膜をシリコンやSiC、GaN、GaAsなどの半導体基板上やガラス基板上に形成するガスセンサとその製造方法を提供できた。
(7)上記目的を実現させるセンサ構造において、MEMS構造を適用することで、適用前に比べて1/100程度以下の低電力化とセンサ部分以外のセンサ基板温度を125℃以下にできる断熱構造を提供できた。
As described above, the present invention has been described using the first to fifth embodiments. The effects of the present invention are summarized as follows.
(1) A nanocomposite thin film characterized in that a metal compound (nanocompound) is formed in the ultrathin platinum grain boundary nanospace is applied to the sensitive film of the gas sensor. By changing the occupation ratio and formation conditions, we were able to provide a gas sensor that can respond to various gas sensing. In particular, we were able to provide an ultra-thin gas sensor with high long-term reliability and a method for manufacturing it.
(2) By providing a nanocomposite thin film that can control the occupancy ratio of ultra-thin platinum particles and nano-metallic compounds, the adsorbed gas molecules adhere to the electric capacity between ultra-thin platinum particles and nano-metallic compounds. An ultra-thin gas sensor that realizes reading out the accumulated charge amount with a voltage signal and a method for manufacturing the same are provided.
(3) By increasing the occupation ratio of the nanometal compound compared to the ultrathin platinum particles, or by providing a nanocomposite thin film having a nanometal compound in which conductive carriers exist, the adsorbed gas molecules are covered with the nanometal compound. The present invention provides an ultra-thin gas sensor that realizes reading out a current change, a voltage change, or a resistance change caused by changing the electrical resistance of a nanocomposite thin film, and a method for manufacturing the same.
(4) This time, by forming the base film of the nanocomposite thin film with a thin film containing a metal compound forming the nanocomposite thin film, it was possible to provide a long-term highly reliable ultra-thin gas sensor and a method for manufacturing the same.
(5) In a Pt—Ti—O gate structure, a hydrogen sensor that operates up to several ppm at several hundred pp or less, a hydrogen sensor that operates in a concentration region of several percent to several tens percent, and a manufacturing method thereof can be provided.
(6) A gas sensor in which the nanocomposite thin film and the base film are formed on a semiconductor substrate such as silicon, SiC, GaN, or GaAs, or a glass substrate, and a manufacturing method thereof can be provided.
(7) In the sensor structure that realizes the above object, by applying the MEMS structure, the heat insulation structure that can reduce the power to about 1/100 or less and the temperature of the sensor substrate other than the sensor part to 125 ° C. or less compared to before application. Was able to provide.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。Pt等の触媒金属粒界に形成される金属化合物は、形成条件は異なるが、窒化物を用いても同様にガスセンサ群を作製できる。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say. The metal compounds formed at the catalyst metal grain boundaries such as Pt have different formation conditions, but a gas sensor group can be similarly produced using nitrides.

本発明は、半導体材料を使用して形成されるガスセンサを製造する製造業に幅広く利用することができる。   The present invention can be widely used in manufacturing industries that manufacture gas sensors formed using semiconductor materials.

1:吸着分極分子、
2:Ti混合層、またはSn混合層、
2a:酸化チタン微結晶、または酸化錫微結晶、
2b:酸素ドープチタン膜、または酸素ドープ錫膜、
2c:酸化チタン微結晶、または酸化錫微結晶、
3、3a:プラチナ微結晶、
4:酸化シリコン膜、
5,5a,28:Si半導体基板、
6,6a,14:空気中空乏層、
7:金属化合物(TiO,SnOなど)ナノ構造体、
7a:プラチナ粒間の空隙、
77:結晶粒界、
77a:粒界近傍領域、
8:センサチップ、
88:酸化チタン膜、
9:プラチナ粒同士の重なり、
10,10a,16,16a:還元性ガス雰囲気中空乏層、
11:プラチナ粒間の平均距離、
12:特定ゲート位置表示、
13:フェルミレヴェル、
15,15a:酸化性ガス雰囲気中空乏層、
16:吸気孔、
19:チャネル領域、
20:ゲート電極、
20a:積層膜、
20b:薄膜、
20Z:ブリッジ領域の取り出し配線、
20ZS:取り出し配線、
21,21a:ソース電極、
21a,22a,20D,20G,20H,20S:取り出し配線、
22,22a:ドレイン電極、
23:SiN/PSG絶縁膜、
24:PSG絶縁膜、
25:ゲート絶縁膜(SiO層)、
26:局所分離領域、
26a:局所分離領域、
27:ソース領域、
27a:ドレイン領域、
27S,27D:nSi層、
28:半導体基板
29:基板電極、
31S:ソース電極、
32:ヒータ配線、
33,33S,33SS:保護膜、
34:MEMS領域、
35:真性FET領域、
36:貫通孔、
37:コンタクト孔、
40:局所分離領域、
41,42,43:パッド電極、
42:p型ウェル、
43、43a:n型Si半導体基板、
44:p型ウェル電極、
44G,44H,44S:コンタクト孔、
45S:センサチップ、
45:n型半導体領域、
46:配線、
50:断熱材、
51:ステム台座、
54:ステム台座の鍔、
55:リード端子、
56:キャップ、
57:PEEK材、
58:防水透湿性素材、
59:キャップサイズ、
60:センサFET、
61:参照FET、
63:ヒータ、
62:PN接合ダイオード、
70:Si膜、
80:吸気孔、
81:リード線、
90,90S,90G,90H,95,96:ブリッジ領域、
91:補強領域、
93,93SS:積層膜、
100:センサ領域、
123:埋め込み絶縁層(SiO層)、
125:ゲート領域、
128:チャネル層(Si層)、
129,130:PSG保護膜、
140:パッド電極、
161:ガラス材、
221:モリブデンシリサイド膜、
440:局所酸化膜(SiO膜)、
441:p型半導体領域、
CHP:半導体チップ、
Vth:しきい値電圧、
ΔVg:水素応答強度、
Vgs:ゲート電圧、
Id:ソースドレイン電流。
1: adsorption polarized molecules,
2: Ti mixed layer or Sn mixed layer,
2a: Titanium oxide microcrystal or tin oxide microcrystal,
2b: oxygen-doped titanium film or oxygen-doped tin film,
2c: Titanium oxide microcrystal or tin oxide microcrystal,
3, 3a: Platinum microcrystal,
4: Silicon oxide film,
5, 5a, 28: Si semiconductor substrate,
6,6a, 14: air hollow depletion layer,
7: Metal compound (TiO X , SnO X etc.) nanostructure,
7a: gap between platinum grains,
77: Grain boundary,
77a: near grain boundary region,
8: Sensor chip,
88: Titanium oxide film,
9: Platinum particles overlap,
10, 10a, 16, 16a: reducing gas atmosphere hollow depletion layer,
11: Average distance between platinum grains,
12: Specific gate position display,
13: Fermi level
15, 15a: oxidizing gas atmosphere hollow depletion layer,
16: Intake hole,
19: channel region,
20: gate electrode,
20a: laminated film,
20b: thin film,
20Z: Bridge area extraction wiring,
20ZS: extraction wiring,
21, 21a: source electrode,
21a, 22a, 20D, 20G, 20H, 20S: extraction wiring,
22, 22a: drain electrode,
23: SiN / PSG insulating film,
24: PSG insulating film,
25: Gate insulating film (SiO 2 layer),
26: Local separation region,
26a: local separation region,
27: Source region
27a: drain region,
27S, 27D: n + Si layer,
28: Semiconductor substrate 29: Substrate electrode,
31S: source electrode,
32: Heater wiring,
33, 33S, 33SS: protective film,
34: MEMS region,
35: Intrinsic FET region
36: through hole,
37: contact hole,
40: Local separation region,
41, 42, 43: pad electrodes,
42: p-type well,
43, 43a: n-type Si semiconductor substrate,
44: p-type well electrode,
44G, 44H, 44S: contact holes,
45S: sensor chip,
45: n + type semiconductor region,
46: Wiring,
50: heat insulating material,
51: Stem base,
54: Stem pedestal collar,
55: Lead terminal,
56: Cap,
57: PEEK material,
58: Waterproof and breathable material,
59: Cap size,
60: Sensor FET,
61: Reference FET,
63: heater,
62: PN junction diode
70: Si 3 N 4 film,
80: intake hole,
81: lead wire,
90, 90S, 90G, 90H, 95, 96: Bridge region,
91: reinforcement region,
93, 93SS: laminated film,
100: sensor area,
123: buried insulating layer (SiO 2 layer),
125: gate region;
128: channel layer (Si layer),
129, 130: PSG protective film,
140: pad electrode,
161: glass material,
221: molybdenum silicide film,
440: Local oxide film (SiO 2 film),
441: p + type semiconductor region,
CHP: Semiconductor chip,
Vth: threshold voltage,
ΔVg: hydrogen response intensity,
Vgs: gate voltage,
Id: source drain current.

Claims (21)

(a)基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を具備し、
前記ゲート電極上に吸着された被検知ガス分子により生じる電気的変化を、前記ゲート絶縁膜を介して検知するガスセンサであって、
前記ゲート電極は、
(b1)酸素を含有する酸素ドープアモルファス金属と前記金属の酸化物結晶とが混合した金属酸化物混合膜と、
(b2)前記金属酸化物混合膜上に設けられたプラチナ膜と、を有し、
前記プラチナ膜は、複数のプラチナ結晶粒と該プラチナ結晶粒間に存在する粒界領域から構成され、
前記粒界領域は、前記金属酸化物混合物により埋められ、前記プラチナ結晶粒の周囲が前記金属酸化物混合物により囲まれていることを特徴とするガスセンサ。
(A) a gate insulating film provided on the substrate;
(B) a gate electrode provided on the gate insulating film;
A gas sensor that detects an electrical change caused by a gas molecule to be detected adsorbed on the gate electrode through the gate insulating film,
The gate electrode is
(B1) a metal oxide mixed film in which an oxygen-doped amorphous metal containing oxygen and an oxide crystal of the metal are mixed;
(B2) a platinum film provided on the metal oxide mixed film,
The platinum film is composed of a plurality of platinum crystal grains and a grain boundary region existing between the platinum crystal grains,
The gas sensor is characterized in that the grain boundary region is filled with the metal oxide mixture, and the platinum crystal grains are surrounded by the metal oxide mixture.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記基板は、半導体基板であり、
前記半導体基板に、前記ゲート電極の一端とその一端が重なるように設けられたソース領域と、
前記半導体基板に、前記ゲート電極の他端とその他端が重なるように設けられたドレイン領域とを備えていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
The substrate is a semiconductor substrate;
A source region provided on the semiconductor substrate so that one end of the gate electrode and one end of the gate electrode overlap;
A gas sensor, comprising: a drain region provided on the semiconductor substrate so that the other end of the gate electrode and the other end overlap each other.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記ゲート電極に、該ゲート電極の電気抵抗を計測するための電極端子を2個以上備えていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
A gas sensor comprising two or more electrode terminals for measuring an electric resistance of the gate electrode on the gate electrode.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記(b2)において、前記プラチナ膜の代わりに、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ランタン(La)のいずれか、またはこれらの金属とPtとの合金を金属膜として用いることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
In (b2), instead of the platinum film, any one of iridium (Ir), ruthenium (Ru), and lanthanum (La), or an alloy of these metals and Pt is used as the metal film. Gas sensor.
(a)半導体基板からなる下部電極と、
(b)前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、
(c)前記容量絶縁膜上に形成された上部電極と、を具備し、
前記ゲート電極上に吸着された被検知ガス分子により生じる電気的変化を、前記ゲート絶縁膜を介して検知する容量素子を含むガスセンサであって、
前記上部電極は、
(c1)酸素を含有する酸素ドープアモルファス金属と前記金属の酸化物結晶とが混合した金属酸化物混合膜と、
(c2)前記金属酸化物混合膜上に設けられたプラチナ膜と、を有し、
前記プラチナ膜は、複数のプラチナ結晶粒と該プラチナ結晶粒間に存在する粒界領域から構成され、
前記粒界領域は、前記金属酸化物混合物により埋められ、前記プラチナ結晶粒の周囲が前記金属酸化物混合物により囲まれていることを特徴とするガスセンサ。
(A) a lower electrode made of a semiconductor substrate;
(B) a capacitive insulating film formed on the lower electrode;
(C) an upper electrode formed on the capacitive insulating film;
A gas sensor including a capacitive element that detects an electrical change caused by a gas molecule to be detected adsorbed on the gate electrode through the gate insulating film;
The upper electrode is
(C1) a metal oxide mixed film in which an oxygen-doped amorphous metal containing oxygen and an oxide crystal of the metal are mixed;
(C2) a platinum film provided on the metal oxide mixed film,
The platinum film is composed of a plurality of platinum crystal grains and a grain boundary region existing between the platinum crystal grains,
The gas sensor is characterized in that the grain boundary region is filled with the metal oxide mixture, and the platinum crystal grains are surrounded by the metal oxide mixture.
請求項5記載のガスセンサであって、
前記(c2)において、前記プラチナ膜の代わりに、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ランタン(La)のいずれか、またはこれらの金属とPtとの合金を金属膜として用いることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 5, wherein
In (c2), any one of iridium (Ir), ruthenium (Ru), and lanthanum (La), or an alloy of these metals and Pt is used as a metal film instead of the platinum film. Gas sensor.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記金属酸化物混合膜が、酸素ドープチタンもしくは酸素ドープ非晶質のチタンと、非晶質の酸化チタンもしくは酸化チタン微結晶とが混じり合ったチタン酸化物混合膜であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The gas sensor characterized in that the metal oxide mixed film is a titanium oxide mixed film in which oxygen-doped titanium or oxygen-doped amorphous titanium and amorphous titanium oxide or titanium oxide microcrystals are mixed. .
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記金属酸化物混合膜が、酸素ドープ錫もしくは酸素ドープ非晶質の錫と、非晶質の酸化錫もしくは酸化錫微結晶が混じり合った錫酸化物混合膜であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The gas sensor, wherein the metal oxide mixed film is a tin oxide mixed film in which oxygen-doped tin or oxygen-doped amorphous tin is mixed with amorphous tin oxide or tin oxide microcrystals.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記酸素ドープアモルファス金属にドープされる酸素量は、1021個/cm3以上で固溶限以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The amount of oxygen doping oxygen-doped amorphous metal, a gas sensor characterized in that is less than the solubility limit at 10 21 / cm 3 or more.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記プラチナ結晶粒の平均粒間距離が1nmから10nmの範囲にあることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The gas sensor according to claim 1, wherein an average intergranular distance of the platinum crystal grains is in a range of 1 nm to 10 nm.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記プラチナ結晶粒の粒間の平均距離が数nm以上で形成されるか、または、前記金属酸化物混合膜に伝導性キャリアが存在するかのいずれかであることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The gas sensor, wherein an average distance between the platinum crystal grains is several nm or more, or a conductive carrier is present in the metal oxide mixed film.
請求項7に記載のガスセンサであって、
前記プラチナ膜の膜厚は、30nm以上50nm以下であり、
前記酸素ドープチタン膜の膜厚は、1nm以上10nm以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 7,
The platinum film has a thickness of 30 nm to 50 nm,
The gas sensor according to claim 1, wherein the oxygen-doped titanium film has a thickness of 1 nm to 10 nm.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記金属が、インジウム(In)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)膜、タンタル(Ta)膜、ニオブ(Nb)膜、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)のいずれかで形成されていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The metal is indium (In), iron (Fe), cobalt (Co), tungsten (W), molybdenum (Mo) film, tantalum (Ta) film, niobium (Nb) film, chromium (Cr), nickel (Ni The gas sensor is formed of any one of the above.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記半導体基板上には、さらに、前記ガスセンサを加熱するヒータが設けられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
A gas sensor, further comprising a heater for heating the gas sensor on the semiconductor substrate.
請求項14記載のガスセンサであって、
前記ソース領域あるいは前記ドレイン領域と接続する取り出し電極を有し、
前記取り出し電極は、上層から金膜/モリブデン膜の順で積層された積層膜から形成され、
さらに、前記ガスセンサを加熱する前記ヒータは、モリブデン膜/金膜/モリブデン膜よりなる積層膜で形成されていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 14, wherein
An extraction electrode connected to the source region or the drain region;
The extraction electrode is formed from a laminated film laminated in the order of gold film / molybdenum film from the upper layer,
Further, the heater for heating the gas sensor is formed of a laminated film of molybdenum film / gold film / molybdenum film.
基板の主面にMOS構造ガスセンサおよびヒータが形成されたセンサチップと、前記センサチップを搭載する実装基板と、前記センサチップと前記実装基板との間に挿入された断熱材を含むガスセンサであって、
前記センサチップは、前記基板の裏側をくり貫いて形成されたMEMS領域と、
前記MEMS領域上の基板表面側に形成された前記ヒータが形成されたヒータ領域と、
前記基板の表面上に形成された、引き出し配線を介して前記ヒータに繋がるパッド電極と、を有し、
前記実装基板は、該実装基板を貫通して外部との接続に用いられるリード端子と、
前記パッド電極と前記リード端子とを接続するリード配線と、を有し、
前記ヒータ領域から前記MEMS領域の空洞を通じて、前記センサチップと前記断熱材とを挟んだ前記実装基板までの熱抵抗をRとし、
前記ヒータ領域から前記MEMS領域縁までの熱抵抗をRとし、
前記MEMS領域縁から前記シリコン基板を通して、前記断熱材から前記実装基板までの熱抵抗をRとし、
前記ヒータ領域から前記パッド電極までの熱抵抗と前記リード線との熱抵抗との総和の熱抵抗をRとすると、
前記ヒータ領域から前記MEMS領域縁を通して前記実装基板までの熱抵抗Rは、
=R+R・R/(R+R)となり、
前記ヒータ領域から前記センサチップと前記MEMSの空洞を通じて、前記断熱材とを挟んだ前記実装基板までの熱抵抗をRとし、
前記ヒータ領域の表面積と同じ面積を有する円の半径をrとし、
前記ヒータの加熱による雰囲気ガスの熱伝導度をλとし、
前記ヒータ領域の設定温度と設置環境想定最低温度との差を温度差ΔTmaxとし、
前記設定温度における前記ヒータの電気抵抗と電源電圧とで決まる前記ヒータへ投入されるヒータ最大電力をPowmaxとした時、
前記ヒータ最大電力Powmaxが25mW以下で、
Powmax/ΔTmax>1/R+1/R+4πλ・r
を満足するように前記熱抵抗R,Rおよび前記ヒータ領域の表面積が設定されていることを特徴とするガスセンサ。
A gas sensor comprising: a sensor chip having a MOS structure gas sensor and a heater formed on a main surface of the substrate; a mounting substrate on which the sensor chip is mounted; and a heat insulating material inserted between the sensor chip and the mounting substrate. ,
The sensor chip includes a MEMS region formed by cutting through the back side of the substrate;
A heater region in which the heater formed on the substrate surface side on the MEMS region is formed;
A pad electrode formed on the surface of the substrate and connected to the heater via a lead wiring;
The mounting substrate is a lead terminal used for connection to the outside through the mounting substrate;
A lead wire connecting the pad electrode and the lead terminal;
The thermal resistance from the heater region through the cavity of the MEMS region to the mounting substrate sandwiching the sensor chip and the heat insulating material is R D ,
The thermal resistance from the heater region to the MEMS area edges and R M,
The thermal resistance from the heat insulating material to the mounting substrate through the silicon substrate from the MEMS region edge is R S ,
When the total thermal resistance of the thermal resistance from the heater region to the pad electrode and the thermal resistance of the lead wire is RL ,
The thermal resistance R P from the heater region to the mounting substrate through the MEMS region edge,
R P = R M + R S · R L / (R S + R L )
The thermal resistance from the heater region to the mounting substrate sandwiching the heat insulating material through the sensor chip and the cavity of the MEMS is denoted as RD ,
The radius of a circle having the same area as the surface area of the heater region is r A ,
Let λ be the thermal conductivity of the atmospheric gas by heating the heater,
The difference between the set temperature of the heater area and the assumed minimum installation environment temperature is defined as a temperature difference ΔTmax.
When Powmax is the heater maximum power input to the heater determined by the electrical resistance and power supply voltage of the heater at the set temperature,
The heater maximum power Powmax is 25 mW or less,
Powmax / ΔTmax> 1 / R D + 1 / R P + 4πλ · r A
A gas sensor characterized in that the thermal resistances R D and R L and the surface area of the heater region are set so as to satisfy
請求項16記載のガスセンサにおいて、
前記センサチップの前記基板は、Si基板、埋め込み絶縁層、およびシリコン層からなるSOI基板であり、
前記SOI基板には、前記Si基板がくり貫かれたMEMS領域と、前記MEMS領域内に前記センサ用MISFETが形成された前記MEMS領域よりも平面面積の小さい真性FET領域と、を有し、
前記センサ用MISFETが形成された前記真性FET領域に、前記センサ用MISFETの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および前記触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙にそれぞれ前記ヒータが形成されており、
前記センサ用MISFETの前記触媒金属ゲート、前記ソース電極、および前記ドレイン領域、ならびに前記ヒータの一端と、前記MEMS領域の外側に設けられた複数の前記パッド電極とをそれぞれ接続する引き出し配線が形成されており、
前記真性FET領域が重ならない前記MEMS領域に、前記埋め込み絶縁層上に前記引き出し配線および前記引き出し配線を覆う保護膜が形成されたブリッジ領域と、前記埋め込み絶縁層上に前記保護膜のみが形成された補強領域とを有し、
前記ブリッジ領域および前記補強領域を除いた前記真性FET領域が重ならない前記MEMS領域に、前記保護膜および前記埋め込み絶縁層が除去された貫通穴を有し、
前記真性FET領域の縁と前記MEMS領域の縁との最も近い距離が、全ての前記ブリッジ領域の幅と全ての前記補強領域の幅との和の1倍から20倍であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 16, wherein
The substrate of the sensor chip is an SOI substrate composed of a Si substrate, a buried insulating layer, and a silicon layer,
The SOI substrate has a MEMS region in which the Si substrate is hollowed out, and an intrinsic FET region having a smaller planar area than the MEMS region in which the sensor MISFET is formed in the MEMS region,
The heater is formed in the gap between the catalyst metal gate and the source electrode of the sensor MISFET and the gap between the catalyst metal gate and the drain electrode in the intrinsic FET region where the sensor MISFET is formed,
Lead wires for connecting the catalytic metal gate of the sensor MISFET, the source electrode, the drain region, and one end of the heater to the plurality of pad electrodes provided outside the MEMS region are formed. And
In the MEMS region where the intrinsic FET region does not overlap, only the protection film is formed on the buried insulating layer, and the bridge region in which the leading wiring and the protective film covering the leading wiring are formed on the buried insulating layer. And a reinforcing area
The MEMS region where the intrinsic FET region excluding the bridge region and the reinforcing region does not overlap has a through hole in which the protective film and the embedded insulating layer are removed,
The closest distance between the edge of the intrinsic FET region and the edge of the MEMS region is 1 to 20 times the sum of the width of all the bridge regions and the width of all the reinforcing regions. Gas sensor.
(a)半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記(a)工程後、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有し、
前記ゲート電極を形成する工程において、
前記ゲート絶縁膜上にTiを厚さ3−6nmの範囲で堆積し、その後、PtとTiの比が1:1から1:5程度の範囲となるように前記Ti上にPtを堆積し、窒素、またはアルゴンで希釈した酸素雰囲気ガス中で400℃から650℃の温度範囲で20分から2時間程度加熱することを特徴とするガスセンサの製造方法。
(A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) after the step (a), forming a gate electrode on the gate insulating film,
In the step of forming the gate electrode,
Ti is deposited on the gate insulating film in a thickness range of 3-6 nm, and then Pt is deposited on the Ti so that the ratio of Pt to Ti is in the range of about 1: 1 to 1: 5. A method for producing a gas sensor, comprising heating in a temperature range of 400 ° C. to 650 ° C. for 20 minutes to 2 hours in an oxygen atmosphere gas diluted with nitrogen or argon.
請求項18のガスセンサの製造方法であって、
前記ゲート電極を形成する工程において、
前記ゲート絶縁膜上にSnを厚さ3−6nmの範囲で堆積し、その後、PtとSnの比が1:1から1:5程度の範囲となるように前記Sn上にPtを堆積し、窒素、またはアルゴンで希釈した酸素雰囲気ガス中で350℃から650℃の温度範囲で20分から2時間程度加熱することを特徴とするガスセンサの製造方法。
A method for manufacturing a gas sensor according to claim 18, comprising:
In the step of forming the gate electrode,
Sn is deposited on the gate insulating film in a thickness range of 3-6 nm, and then Pt is deposited on the Sn so that the ratio of Pt and Sn is in the range of 1: 1 to 1: 5. A method of manufacturing a gas sensor, comprising heating in a temperature range of 350 ° C. to 650 ° C. for about 20 minutes to 2 hours in an oxygen atmosphere gas diluted with nitrogen or argon.
請求項18のガスセンサの製造方法であって、
前記ゲート電極を形成する工程において、
前記ゲート絶縁膜上にTiを厚さ3−10nmの範囲で堆積し、その後、PtとTiの比が1:1から1:5程度の範囲となるようにPtとTiを前記Ti上に同時に5nmから20nm程度蒸着(共蒸着)した後、窒素、またはアルゴンで希釈した酸素雰囲気ガス中で400℃から650℃の温度範囲で20分から2時間程度加熱することを特徴とするガスセンサの製造方法。
A method for manufacturing a gas sensor according to claim 18, comprising:
In the step of forming the gate electrode,
Ti is deposited on the gate insulating film in a thickness range of 3 to 10 nm, and then Pt and Ti are simultaneously deposited on the Ti so that the ratio of Pt and Ti is in the range of about 1: 1 to 1: 5. A method for producing a gas sensor, comprising: vapor deposition (co-deposition) of about 5 nm to 20 nm and then heating in an oxygen atmosphere gas diluted with nitrogen or argon at a temperature range of 400 ° C. to 650 ° C. for about 20 minutes to 2 hours.
請求項18のガスセンサの製造方法であって、
前記ゲート電極を形成する工程において、
前記ゲート絶縁膜上にSnを厚さ3−10nmの範囲で堆積し、その後、PtとSnの比が1:1から1:5程度の範囲となるようにPtとSnを前記Sn上に同時に5nmから15nm程度蒸着(共蒸着)した後、窒素、またはアルゴンで希釈した酸素雰囲気ガス中で350℃から650℃の温度範囲で20分から2時間程度加熱することを特徴とするガスセンサの製造方法。
A method for manufacturing a gas sensor according to claim 18, comprising:
In the step of forming the gate electrode,
Sn is deposited on the gate insulating film in a thickness range of 3 to 10 nm, and then Pt and Sn are simultaneously deposited on the Sn so that the ratio of Pt and Sn is in the range of about 1: 1 to 1: 5. A method for producing a gas sensor, comprising: vapor deposition (co-deposition) of about 5 nm to 15 nm and then heating in a temperature range of 350 ° C. to 650 ° C. for about 20 minutes to 2 hours in an oxygen atmosphere gas diluted with nitrogen or argon.
JP2010218983A 2010-09-29 2010-09-29 Gas sensor Expired - Fee Related JP5603193B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010218983A JP5603193B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Gas sensor
EP11828632.7A EP2623968B1 (en) 2010-09-29 2011-08-09 Gas sensor comprising a gate structure with capacitively coupled platinum crystal grains
PCT/JP2011/068202 WO2012043071A1 (en) 2010-09-29 2011-08-09 Gas sensor and process for manufacture thereof
US13/810,516 US9383329B2 (en) 2010-09-29 2011-08-09 Gas sensor and a method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010218983A JP5603193B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Gas sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012073154A true JP2012073154A (en) 2012-04-12
JP5603193B2 JP5603193B2 (en) 2014-10-08

Family

ID=45892546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010218983A Expired - Fee Related JP5603193B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Gas sensor

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9383329B2 (en)
EP (1) EP2623968B1 (en)
JP (1) JP5603193B2 (en)
WO (1) WO2012043071A1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013242271A (en) * 2012-05-22 2013-12-05 Hitachi Ltd Semiconductor gas sensor and manufacturing method thereof
JP2014013239A (en) * 2012-07-03 2014-01-23 Robert Bosch Gmbh Gas sensor, and method of manufacturing the same
KR20160047200A (en) * 2014-10-22 2016-05-02 주식회사 엘지화학 Battery Cell Having Gas Sensor
WO2016111098A1 (en) * 2015-01-09 2016-07-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 Sensor system and device
US9857322B2 (en) 2013-05-23 2018-01-02 Hitachi, Ltd. Semiconductor gas sensor
JP2018017558A (en) * 2016-07-26 2018-02-01 ラピスセミコンダクタ株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JPWO2017002854A1 (en) * 2015-06-30 2018-04-19 富士通株式会社 Gas sensor and method of using the same
WO2022102759A1 (en) * 2020-11-12 2022-05-19 国立大学法人東京大学 Biosensor, method for manufacturing field effect transistor for biosensor, and field effect transistor for biosensor
US11808726B2 (en) 2020-07-08 2023-11-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Sensor and method for manufacturing the same

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9064823B2 (en) * 2013-03-13 2015-06-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method for qualifying a semiconductor wafer for subsequent processing
US10141413B2 (en) 2013-03-13 2018-11-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Wafer strength by control of uniformity of edge bulk micro defects
US9170165B2 (en) * 2013-03-25 2015-10-27 Globalfoundries U.S. 2 Llc Workfunction modulation-based sensor to measure pressure and temperature
DE102013109357A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-05 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Ion-sensitive layer structure for an ion-sensitive sensor and method for producing the same
US10444076B2 (en) * 2015-11-26 2019-10-15 Sensirion Ag Infrared device
JP6886304B2 (en) 2017-01-31 2021-06-16 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 Gas sensor
JP6990997B2 (en) * 2017-06-06 2022-01-12 株式会社日立製作所 MEMS device
JP6838517B2 (en) * 2017-07-31 2021-03-03 日立金属株式会社 Gas sensor
WO2019044256A1 (en) 2017-09-04 2019-03-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Gas sensor, gas detection device, fuel cell vehicle, and method for manufacturing gas sensor
EP3462149B1 (en) 2017-09-28 2023-10-25 Sensirion AG Infrared device
US11774399B2 (en) * 2017-12-28 2023-10-03 The Regents Of The University Of California Inversion layer gas sensors using bulk silicon chemical sensitive transistors
US11119066B2 (en) * 2018-06-05 2021-09-14 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Room temperature nitrogen dioxide gas sensor
EP3702769A1 (en) 2019-02-27 2020-09-02 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Capacitive hydrogen sensor
JP7433286B2 (en) * 2019-03-07 2024-02-19 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 Gas sensor and its manufacturing method, and fuel cell vehicle
US20230022231A1 (en) * 2019-12-30 2023-01-26 The Regents Of The University Of California Multi-gas detection with cs-fet arrays for food quality assessment
TWI743985B (en) * 2020-09-11 2021-10-21 國立中山大學 Method for manufacturing gas sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009300297A (en) * 2008-06-16 2009-12-24 Hitachi Ltd Electrode, and gas sensor and method of manufacturing the same
JP2010164411A (en) * 2009-01-15 2010-07-29 Citizen Watch Co Ltd Thin film gas sensor
WO2011055605A1 (en) * 2009-11-06 2011-05-12 株式会社日立製作所 Gas sensor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4160806B2 (en) * 2002-08-30 2008-10-08 日本特殊陶業株式会社 Gas sensor element
JP2009254522A (en) 2008-04-15 2009-11-05 Sharp Corp Optical biological information measuring instrument, and light emitting/receiving unit for measuring biological information
JP4892521B2 (en) * 2008-06-30 2012-03-07 株式会社日立製作所 Combustible gas sensor
JP5984505B2 (en) * 2012-05-22 2016-09-06 株式会社日立製作所 Semiconductor gas sensor and manufacturing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009300297A (en) * 2008-06-16 2009-12-24 Hitachi Ltd Electrode, and gas sensor and method of manufacturing the same
JP2010164411A (en) * 2009-01-15 2010-07-29 Citizen Watch Co Ltd Thin film gas sensor
WO2011055605A1 (en) * 2009-11-06 2011-05-12 株式会社日立製作所 Gas sensor

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOSHIYUKI USAGAWA ET AL.: "Air-Annealing Effects for Pt/Ti Gate Si-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors Hydrogen", APPLIED PHYSICS EXPRESS, vol. 3, JPN7011003202, 19 March 2010 (2010-03-19), pages 047201 - 1, ISSN: 0002786229 *
TOSHIYUKI USAGAWA ET AL.: "Device characteristics for Pt-Ti-O gate Si-MISFETs hydrogen gas sensors", SENSORS AND ACTUATERS B, vol. 160, JPN6011046143, 21 June 2011 (2011-06-21), pages 105 - 114, ISSN: 0002861704 *
宇佐川利幸 他: "Pt/Ti ゲート Si-MOSFET型水素センサの空気中アニーリング効果", CHEMICAL SENSORS, vol. 26, JPN6011046142, 29 March 2010 (2010-03-29), pages 49 - 51, ISSN: 0002786230 *
宇佐川利幸: "Pt-Ti-OゲートSi-MISFET型水素センサの提案", CHEMICAL SENSORS, vol. 26, JPN6011046141, 2 September 2010 (2010-09-02), pages 91 - 93, ISSN: 0002786228 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013242271A (en) * 2012-05-22 2013-12-05 Hitachi Ltd Semiconductor gas sensor and manufacturing method thereof
US9484448B2 (en) 2012-05-22 2016-11-01 Hitachi, Ltd. Semiconductor gas sensor and method for producing the same
JP2014013239A (en) * 2012-07-03 2014-01-23 Robert Bosch Gmbh Gas sensor, and method of manufacturing the same
US9857322B2 (en) 2013-05-23 2018-01-02 Hitachi, Ltd. Semiconductor gas sensor
KR101723035B1 (en) * 2014-10-22 2017-04-04 주식회사 엘지화학 Battery Cell Having Gas Sensor
KR20160047200A (en) * 2014-10-22 2016-05-02 주식회사 엘지화학 Battery Cell Having Gas Sensor
WO2016111098A1 (en) * 2015-01-09 2016-07-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 Sensor system and device
JP2016128783A (en) * 2015-01-09 2016-07-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 Sensor system and device
US10151725B2 (en) 2015-01-09 2018-12-11 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Sensor system and device
JPWO2017002854A1 (en) * 2015-06-30 2018-04-19 富士通株式会社 Gas sensor and method of using the same
US11156576B2 (en) 2015-06-30 2021-10-26 Fujitsu Limited Gas sensor and method of using the same
JP2018017558A (en) * 2016-07-26 2018-02-01 ラピスセミコンダクタ株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
US11808726B2 (en) 2020-07-08 2023-11-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Sensor and method for manufacturing the same
JP7414656B2 (en) 2020-07-08 2024-01-16 株式会社東芝 Sensor and its manufacturing method
WO2022102759A1 (en) * 2020-11-12 2022-05-19 国立大学法人東京大学 Biosensor, method for manufacturing field effect transistor for biosensor, and field effect transistor for biosensor

Also Published As

Publication number Publication date
US20130186178A1 (en) 2013-07-25
US9383329B2 (en) 2016-07-05
EP2623968A1 (en) 2013-08-07
EP2623968B1 (en) 2019-08-07
WO2012043071A1 (en) 2012-04-05
JP5603193B2 (en) 2014-10-08
EP2623968A4 (en) 2017-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5603193B2 (en) Gas sensor
US9228973B2 (en) Gas sensor
JP4574570B2 (en) Method for manufacturing nanowire CHEMFET sensor device using selective deposition of nanowire
CN109682863B (en) TMDCs-SFOI heterojunction-based gas sensor and preparation method thereof
US10937831B2 (en) Correlated electron switch structures and applications
JP6985596B2 (en) Electronic devices, manufacturing methods and electronic devices for electronic devices
US9134270B2 (en) Amorphous thin film for sensing
US20140260545A1 (en) Sensor and sensing method
US8049204B2 (en) Semiconductor memory device having variable resistance element and method for manufacturing the same
JP4866880B2 (en) Electrode, gas sensor and manufacturing method thereof
WO2008068800A1 (en) Resistance storage element, method for fabricating the same, and nonvolatile semiconductor storage device
JP4056987B2 (en) Hydrogen sensor and hydrogen detection method
CN107430086B (en) Gas sensor and sensor device
Milano et al. Junction properties of single ZnO nanowires with asymmetrical Pt and Cu contacts
KR102559405B1 (en) Hydrogen sensor and method for fabricating thereof
KR101665020B1 (en) GAS SENSOR and Method for Manufacturing GAS SENSOR
Koto et al. Vertical germanium nanowire arrays in microfluidic channels for charged molecule detection
Usagawa et al. Device characteristics for Pt–Ti–O gate Si–MISFETs hydrogen gas sensors
KR20200120381A (en) Hydrogen gas sensor
Moon et al. On-the-fly dopant redistribution in a silicon nanowire p–n junction
JP3985720B2 (en) Hydrogen gas sensor
US10756086B1 (en) Method for manufacturing semiconductor and structure and operation of the same
Cruz‐Arzon et al. Electrical Characterization and Ammonia Gas Response of ap‐Si/n‐poly [benzimidazobenzophenanthroline] Thin‐Film Junction Diode
KR20150031055A (en) high-temperature SiC gas sensor and fabrication method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130124

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140408

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140605

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140729

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140821

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5603193

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20140908

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees